Brevet FR3101735A1 — publié le 20210409

Collecteur tournant (300) pour rotor de machine électrique (400), comprenant au moins deux pièces de contact glissant (100) en matériau cupro-graphitique fritté disposées autour d’un corps et au moins autant d’assemblages de conduction linéaires (150, 151) allongés parallèlement à l’axe dudit rotor reliant électriquement chacun une desdites pièces de contact (100) glissant à une borne pour connexion à une bobine du rotor. Les assemblages de conduction linéaires (150, 151) comprennent chacun une tresse d’une pluralité de brins de cuivre ou d’alliage de cuivre dont une extrémité est insérée dans le matériau cupro-graphitique de la pièce de contact glissant (100) associée, et un connecteur linéaire rigide monté sur la tresse (20). Figure d’abrégé : figure 2 Collecteur tournant pour rotor de machine électrique rotative L’invention s’inscrit dans le domaine des machines électriques tournantes à rotor interne bobiné, et de leur structure. Ces machines électriques à rotor interne bobiné nécessitent, pour la connexion électrique des bobines du rotor, la mise en place de plusieurs contacts électriques glissants, en nombre pair. Ces contacts sont effectués, du côté du rotor, sur un collecteur formé par des plages ou pistes conductrices portées par une section cylindrique, à l’extrémité de l’axe du rotor. Ces plages ou pistes sont accessibles depuis l’extérieur du rotor, par un déplacement radial ou ayant une composante radiale vers l’axe du rotor. Du côté des parties fixes du moteur, formant un stator et un carter, le contact est mené à l’aide de conducteurs, qui sont des pièces allongées, rigides, nommées balais. Chacune d’elles a une extrémité fixée au carter du moteur au niveau duquel un potentiel électrique est transmis. L’autre extrémité du balai, qui est une pièce d’usure, adaptée au frottement, formant un contact conducteur continu avec la piste associée, ou les plages associées, du rotor. Le frottement est assuré par la présence d’un ressort calibré. Ce ressort exerce une force d’appui sur le balai selon une direction ayant une composante radiale par rapport à la piste ou plage du collecteur du rotor. Les pistes ou plages du collecteur du rotor sont reliées aux bornes des bobines de celui-ci, et transmettent le potentiel appliqué sur les balais quand la machine fonctionne comme moteur ou à l’inverse transmettent aux balais les potentiels qui se développent aux bornes de la bobine quand la machine fonctionne comme générateur. Pour les machines à courant alternatif, comme les alternateurs de véhicule automobile, il peut y avoir une ou plusieurs bobines présentes sur le rotor et les pistes sont en nombre pair, ayant chacune la forme d’un anneau continu sur la périphérie de l’axe du rotor. Ces pistes sont disposées les unes à côté des autres le long de l’axe de celui-ci, transversalement à celui-ci. Les pistes, en contact continu avec les balais associés, sont polarisées en permanence, à des valeurs formant pour chaque bobine du rotor une différence de potentiel aux bornes, corrélée à la mise en rotation du rotor. Pour les moteurs à courant continu ou les moteurs universels utilisés notamment dans l’électroménager, plusieurs bobines sont disposées sur le rotor. Les plages sont disposées sur des secteurs angulaires successifs d’une section de celui-ci, et sont ainsi mises au potentiel d’excitation les unes après les autres, par paires de plages opposées entre lesquelles se forme une différence de potentiel en sorte de créer en permanence un champ magnétique en quadrature avec le champ créé par le stator. Une fonction de commutation est assurée par la succession des plages autour de l’axe du rotor. Les plages ou pistes du collecteur sont généralement en cuivre ou alliage de cuivre, obtenu par étirage et emboutissage d’une feuille de ce matériau initialement plane et lisse, obtenue par un procédé d’extrusion de profil de section constante. Il est nécessaire d’établir un contact entre la plage ou piste et l’extrémité de la bobine enroulée sur le rotor à laquelle elle doit transmettre ou de laquelle elle doit recevoir le potentiel électrique. Cela nécessite la mise en place d’un conducteur linéaire de type fin câble électrique, placé parallèlement à l’axe du rotor, et définissant un parcours de quelques millimètres à plusieurs centimètres. Il est connu de souder par brasage le conducteur linéaire à la piste ou plage à laquelle il est raccordé. Le corps du collecteur rotatif doit comprendre un matériau isolant électriquement. Une méthode consiste à utiliser une injection du matériau isolant dans un moule dans lequel les pistes ou plages et conducteurs linéaires sont préalablement disposés. L’arbre du rotor comprend de plus en général une armature centrale en métal ou alliage métallique, comme de l’acier électrique. Il a aussi été envisagé de remplacer les pistes ou plages du collecteur en cuivre ou alliage de cuivre extrudé par des pièces de même forme mais constituées d’un matériau fritté de cuivre et de graphite, et obtenu par compression sous haute pression et frittage à haute température sous atmosphère neutre. Une difficulté réside dans la liaison entre la piste ou plage et le connecteur linéaire. La soudure n’est pas une solution facilement mise en œuvre, car elle s’adapte peu à la matière frittée. Le document FR2840737B1 divulgue la manière de combiner par compression un élément conducteur qu’est la piste qui a la forme d’une bague et le conducteur étant un fil ou un rail, lisse. Néanmoins l’utilisation d’un tel procédé nécessite d’être en mesure d’éviter la fissuration de la pièce cupro-graphitique au contact d’un conducteur massif et rigide, ce qui n’est pas aisé et pas résolu dans l’art antérieur. Pour résoudre cette difficulté, il est proposé un collecteur tournant pour rotor de machine électrique rotative, comprenant au moins deux pièces (par exemple des bagues) de contact tournant en matériau cupro-graphitique fritté disposées autour d’un corps et au moins autant d’assemblages de conduction linéaires allongés parallèlement à l’axe dudit rotor reliant électriquement chacune desdites pièces de contacteur tournant à une borne pour connexion à une bobine du rotor. De manière originale, les assemblages de conduction linéaires comprennent chacun une tresse d’une pluralité de brins de cuivre ou d’alliage de cuivre dont une extrémité est enserrée dans le matériau cupro-graphitique de la pièce de contacteur tournant associée, et un connecteur linéaire rigide assemblé sur l’autre extrémité de la tresse. Grâce à ces principes, on parvient à aisément relier la pièce de contact constituée en matériau cupro-graphitique fritté avec le conducteur linéaire rigide, en utilisant la tresse qui est enserré dans le matériau fritté. La présence d’une pluralité de brins relativement fins permet d’éviter la fissuration de la matière frittée autour de la tresse. Selon des caractéristiques avantageuses et optionnelles : - le connecteur linéaire rigide est soudé à la tresse, avec ou sans étain, ou est serti à la tresse. La soudure est avantageuse pour l’étape ultérieure de surmoulage par la matière isolante, ainsi, la matière isolante injectée ne peut pas s’infiltrer entre les deux pièces soudées. La soudure électrique (sans matériau d’apport) est avantageuse pour éviter d’alourdir le produit et d’avoir à consommer du métal d’apport. - la tresse est constituée de cuivre faiblement allié avec de l’argent (moins de 1%, ou moins de 0,3%, en masse), mais du cuivre sans argent est également utilisable. - la tresse est constituée de plusieurs torons (au moins deux) tressés, comportant chacun une pluralité de brins- - la tresse a, selon un exemple, une section en coupe de l’ordre de 0,5 mm2 à +/-10%, ce qui constitue une valeur de base, non limitative. Cette valeur, dans le cadre d’une bague de 15 mm de diamètre, (dimension commune pour délivrer un courant d’intensité jusqu’à 11 A) est adaptée à l’insertion de la matière qui fait l’objet du frittage. Le diamètre du câble (la tresse) est déterminé par l’ampérage qu’il devra supporter, et en fonction de l’application visée. En fonction de la machine électrique visée, une section de valeur différente sera utilisée, pour ajuster cette dimension à l’ampérage et à la taille qui s’en suit de la bague. - la tresse est composée de brins individuels de 0,07 mm +/- 10%, ou au moins 0,07 mm comme valeur inférieur +/- 10%, rapporté à un diamètre de la tresse de 1,15 mm. En dessous de cette valeur relative, il est constaté que les brins peuvent casser lors de la compression du matériau puis lors du frittage. Un diamètre de 0,10 mm est une alternative à un diamètre de 0,07 mm, toujours rapporté à un diamètre de la tresse de 1,15 mm. Cette gamme de valeur évite que les brins soient coupés lors de l’injection de produit isolant (thermoplastique ou thermodurcissable). Si le diamètre de la tresse est modifié, la valeur inférieure de diamètre de brin individuel est modifiée de manière proportionnelle. Ainsi, la tresse est composée de brins individuels d’au moins 0,07 mm de diamètre, cette valeur minimale étant définie +/- 10%, et le diamètre des brins individuels pouvant être supérieur à cette valeur minimale, cette valeur minimale étant de plus rapportée à un diamètre de la tresse de 1,15 mm et étant adaptée en proportionnalité à celui-ci s’il est différent de cette valeur de référence. - la tresse est composée de torons de 18 brins, ou au plus 18 ou 16 brins +/- 10%. Il est aussi proposé un procédé de fabrication d’un collecteur tournant pour rotor de machine électrique rotative comprenant une étape de connexion d’au moins deux connecteurs linéaires rigides chacun à une pièce de contact glissant en matériau cupro-graphitique fritté, puis une étape de surmoulage de matériau isolant d’un corps du collecteur tournant portant les pièces de contact tournant et les connecteurs linéaires. De manière originale, le procédé comprend une étape de mise en forme de chaque pièce de contact tournant avec une tresse d’une pluralité de brins de cuivre ou d’alliage de cuivre dont une extrémité est insérée, dans le matériau cupro-graphitique de la pièce de contact tournant (il y a une forte liaison entre les fils et le matériau cupro-graphitique), puis une étape de montage de chaque connecteur linéaire rigide sur l’extrémité libre de la tresse en sorte d’effectuer l’étape de connexion, avant l’étape de surmoulage. La figure 1 présente des étapes préliminaires de fabrication d’un produit selon l’invention. La figure 2 présente des étapes ultérieures de fabrication d’un produit selon l’invention. En figure 1 on a représenté la préparation de la fabrication des contacts glissants de type bague d'un mode de réalisation de l'invention. Une introduction de matériau cupro-graphitique pour frittage, sous forme de poudre, est effectuée à l'intérieur d'un moule 10 dans lequel a été positionnée une tresse de fils de cuivre 20, en sorte de dépasser de la bague en cours de fabrication, tout en étant insérée, au niveau d'une de ses extrémités dans le matériau de la bague (il y a une forte liaison entre les fils et le matériau cupro-graphitique). La tresse de fils de cuivre peut être constituée de plusieurs torons comportant chacun plusieurs brins élémentaires : par exemple, une tresse d’une première source, de construction 8x16x0,07 (c’est-à-dire 8 torons de 16 brins, chaque brin ayant un diamètre de 0,07 mm), de matériau cuivre faiblement allié avec de l’argent CU-AG 0.1, diamètre extérieur de la tresse 1,15 mm, section 0,5 mm2., ou encore une tresse d’une deuxième source, de diamètre 1,04 mm, section 0,51 mm2, construction 8x13x0,08 (c’est-à-dire 8 torons de 13 brins, chaque brin ayant un diamètre de 0,08 mm), ou encore une tresse d’une troisième source de diamètre 1,15 mm, section 0,5 mm2, et construction 8x16x0,07 (c’est-à-dire 8 torons de 16 brins, chaque brin ayant un diamètre de 0,07 mm). La tresse est enroulée sur une bobine de tresse, dont une extrémité est insérée dans le moule 10, et immobilisé avec un frein (non représenté). L’introduction du matériau se fait par exemple à un point d'introduction I1. Le frittage permet d’augmenter la résistance mécanique du matériau sous l’action de la température, en présence d’un gaz réducteur, et emprisonne une extrémité de la tresse 20, l’autre extrémité restant libre. À l'issue de l'étape E1 une bague 100 est obtenue, calibrée pour une intensité de 11A et ayant un diamètre de 15 mm. Elle a une géométrie de section de cylindre de révolution creux, d’extrémité droite. La paroi a une épaisseur de l’ordre du diamètre extérieur de la bague, avec une surépaisseur de la paroi sur un secteur angulaire (environ un cinquième de cercle) qui accueille la tresse 20 insérée dans la matière frittée. Grâce au choix des caractéristiques de la tresse, il est possible de favoriser une bonne prise de la matière frittée autour de la tresse, tout en assurant un bon positionnement de celle-ci dans le moule et un bon maintien en place lors de l’introduction dans la poudre. Si la tresse avait eu un diamètre plus important, elle n’aurait pas pu être introduite dans la bague de 15 mm de diamètre calibrée pour conduire 11A. Par exemple, on exclut une tresse de diamètre 1,9 mm, section 1,5 mm2, construction 8x49x0,07 (c’est-à-dire 8 torons de 49 brins, chaque brin ayant un diamètre de 0,07 mm) ou une tresse de diamètre 1,75 mm, section 1,5 mm2 et construction 8x48x0,07 (c’est-à-dire 8 torons de 48 brins, chaque brin ayant un diamètre de 0,07 mm). En figure 2, on a représenté les étapes suivantes de la fabrication du collecteur tournant selon le mode de réalisation évoqué. Deux bagues 100 sont utilisées, et on soude au cours d'une étape E2 des connecteurs linéaires 150 et 151 sur chacune des tresses métalliques dépassant de ces bagues. Deux conducteurs linéaires métalliques 150 et 151 de longueurs différentes sont utilisés, menant à l'obtention de deux bagues équipées 200 et 201 dont les connecteurs sont de longueurs différentes. Chacun des connecteurs est constitué d'une pièce en alliage de cuivre en deux segments. Au sein d’un connecteur, les deux segments sont à angle droit l’un par rapport à l’autre. Le premier segment, soudé sur la tresse, est plus long que le deuxième segment qui a seulement pour objet de former une borne, identique pour les deux conducteurs linéaires. Le premier segment permet quant à lui de conduire le courant sur une distance parallèle à l’axe de rotation des bagues. Les premiers segments des deux connecteurs sont de longueurs différentes pour que, les bornes des deux connecteurs étant placées à une même hauteur de l’axe de rotation, les deux bagues puissent être placées l’une à côté de l’autre autour de l’axe sans contact entre elles. Pour ce montage, outre la différence de longueurs des premiers segments des deux connecteurs linéaires 150 et 151, il est aussi prévu de faire cheminer le plus long des deux connecteurs linéaires à l’intérieur de la bague reliée au plus court des deux connecteurs linéaires. Les deux connecteurs linéaires 150 et 151 sont mis en place opposés l’un à l’autre autour de l’axe, assurant ainsi l’interface de la machine électrique à équiper, et plus précisément de son bobinage de rotor. Ainsi, la géométrie représentée en figure 2 est obtenue, et elle est caractérisée par un connecteur linéaire s'étendant, dans l’exemple représenté, sur deux ou trois fois la longueur de la section de cylindre définissant la bague, parallèlement à l'axe de celle-ci, sur une génératrice du cylindre, suivi dans l’exemple représenté, d'un coude à 90° s'écartant de l'emprise du cylindre, au droit de celui-ci. On précise que le rapport entre la longueur du cylindre de la bague et la longueur du connecteur rigide peut varier. La présence d’un coude n’est par ailleurs pas indispensable. Il est surtout nécessaire que l’extrémité du connecteur linéaire puisse être utilisée comme borne pour les bobines du rotor. Au cours d'une étape E3, un surmoulage par injection est mené en sorte de fixer les deux bagues équipées 200 et 201 l'une par rapport à l'autre et ménager des moyens de fixation pour l’arbre du rotor et les bobines de celui-ci. Ainsi, un moule 11 est utilisé, au sein duquel sont placées les bagues équipées 200 et 201, et dans lequel une injection de matière thermoplastique ou thermodurcissable isolante électriquement est réalisée par un point d'injection I2. Le positionnement du point d’injection varie en fonction de la géométrie et des caractéristiques exactes du produit. Si les brins de cuivre dans les torons de la tresse sont trop fins, rapportés au diamètre de la tresse, ils ne résistent pas à l’injection et la tresse est déformée pendant celle-ci. Il convient donc de considérer pour obtenir un bon résultat le diamètre des brins rapporté au diamètre de la tresse. On obtient ainsi un collecteur tournant 300, caractérisé par la succession le long d'un axe, des deux bagues équipées 200 et 201 dont les connecteurs linéaires sont positionnés parallèles à l’axe, tous les deux dans la même direction, et en opposition l'un par rapport à l'autre vis-à-vis de l'axe en sorte d'offrir, à leurs extrémités respectives, des bornes de connexion opposées autour de l’axe. Par ailleurs la construction comprend l’isolement électrique entre les 2 bagues et également entre les deux bornes. La surface externe de chacune des deux bagues constitue à partir de cette configuration une piste annulaire pour contact rotatif sur lequel vont être appuyés les balais du stator de machine électrique. Au cours d'une étape E4 on insère un arbre métallique 301, par exemple en métal dans le montage établi au cours de l'étape précédente en sorte de solidariser par encastrement le collecteur tournant 300 aux bobines qui vont être montées autour de l'arbre métallique 301 et connectées aux extrémités des contacteurs linéaires 150 et 151. On a ainsi formé un rotor pour machine électrique 400. Collecteur tournant (300) pour rotor de machine électrique (400), comprenant au moins deux pièces de contact en matériau cupro-graphitique fritté (100) disposées autour d’un corps et au moins autant d’assemblages de conduction linéaires (20, 150, 151) allongés parallèlement à l’axe dudit rotor reliant électriquement chacun une desdites pièces de contact (100) à une borne pour connexion à une bobine du rotor, caractérisé en ce que les assemblages de conduction linéaires (20, 150, 151) comprennent chacun une tresse (20) d’une pluralité de brins de cuivre ou d’alliage de cuivre dont une extrémité est insérée dans le matériau cupro-graphitique de la pièce de contact associée (100), et un connecteur linéaire (150, 151) rigide monté sur la tresse (20). Collecteur tournant (300) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le connecteur linéaire rigide (150, 151) est soudé à la tresse (20), avec ou sans étain, ou serti sur la tresse. Collecteur tournant (300) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la tresse (20) est constituée de cuivre faiblement allié avec de l’argent. Collecteur tournant (300) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tresse (20) est constituée d’au moins deux torons tressés, comportant chacun une pluralité de brins. Collecteur tournant (300) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la tresse (20) a une section en coupe de l’ordre de 0,5 mm2 à +/- 10%, les pièces de contact (100) comprenant chacune une bague dans laquelle l’extrémité de la tresse est insérée et qui est calibrée pour transmettre jusqu’à 11 A. Collecteur tournant (300) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tresse (20) est composée de brins individuels d’au moins 0,07 mm de diamètre, cette valeur minimale étant définie à +/- 10%, et le diamètre des brins individuels pouvant être supérieur à cette valeur minimale, cette valeur minimale étant de plus rapportée à un diamètre de la tresse (20) de 1,15 mm et étant adaptée en proportionnalité à celui-ci s’il est différent de cette valeur de référence. Collecteur tournant (300) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la tresse (20) est composée de torons de 18 brins. Procédé de fabrication d’un collecteur tournant (300) pour rotor de machine électrique rotative (400) comprenant une étape de connexion d’au moins deux connecteurs linéaires rigides (150, 151) chacun à une pièce de contact en matériau cupro-graphitique fritté (100), puis une étape de surmoulage (E3) d’un corps du collecteur tournant (300) portant les pièces de contact (100) et les connecteurs linéaires (150, 151), caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de mise en forme (E1) de chaque pièce de contact (100) avec une tresse (20) d’une pluralité de brins de cuivre ou d’alliage de cuivre dont une extrémité est insérée dans le matériau cupro-graphitique de la pièce de contact, puis une étape de montage (E2) de chaque connecteur linéaire rigide (150, 151) sur l’extrémité libre la tresse (20) en sorte d’effectuer l’étape de connexion, avant l’étape de surmoulage (E3).