EP0029375A1

EP0029375A1 - Dispositif de contact électrique glissant à balai multifilamentaire et machine électrique tournante utilisant un tel dispositif

Info

Publication number: EP0029375A1
Application number: EP80401538A
Authority: EP
Inventors: Michel Amiet; Jean-Pierre Chabrerie; Jacques Barthelemy
Original assignee: Direction General pour lArmement DGA; Etat Francais
Current assignee: Direction General pour lArmement DGA; Etat Francais
Priority date: 1979-11-08
Filing date: 1980-10-30
Publication date: 1981-05-27
Also published as: US4483574A; FR2469813B1; FR2469813A1

Abstract

La présente invention concerne les contacts électriques glissants, notamment pour machines tournantes. Le contact électrique entre deux pièces 1 et 2 se déplaçant relativement l'une par rapport à l'autre en maintenant entre elles une distance moyenne normalement constante e est obtenu au moyen d'au moins un balai multifilamentaire 3 contitué d'un faisceau de fils fins, comprenant une extrémité encastrée 9 et une extrémité en porte-à-faux 9' dont la longueur libre ℓ est supérieure d'au moins 10% à l'espacement e. La pièce 2 peut être indifféremment une bague lisse, une bague rainurée ou un collecteur à lames. Applications aux contacts glissants pour matériels mis en oeuvre au sein d'un milieu fluide diélectrique et non-oxydant, par exemple immergés dans des hydrocarbures.

Description

La présente invention concerne les dispositifs de contact électrique glissant entre deux pièces se déplaçant relativement l'une par rapport à l'autre, une première de ces pièces portant au moins un balai multifilamentaire constitué d'un faisceau de fils fins encastré par une de ses extrémités dans la première pièce et portant en appui, à son autre extrémité, sur au moins une zone de contact aménagée sur la seconde pièce.
Les contacts électriques glissants se retrouvent dans la plupart des installations électrotechniques, tant sous la forme de patins de frotteurs qu'en association avec des bagues collectrices ou des collecteurs de machines tournantes. Dans les machines tournantes, les contacteurs à fils des premier âges, qui ont donnés leur nom aux balais, ont été partout remplacés par des équipages de balais métallographitiques ou électrographitiques. Ces derniers dispositifs présentent des limitations bien connues, tant en ce qui concerne la densité de courant qu'ils peuvent transmettre, que l'importance des différences de potentiels de.contact et les problèmes liés de frottement et d'usure, notamment lorsque la vitesse de défilement devient élevée.
La pression de contact nécessaire aux balais mé- _.tallographitiques, et les phénomènes apparaissant au niveau de l'interface entre ceux-ci et la zone de contact de la pièce tournante associée ont jusqu'à présent limité leur utilisation en atmosphère normale ou, de préférence, inerte, empêchant leur mise en oeuvre dans des environnements gazeux plus hostiles et surtout dans des milieux liquides.
Or, la résolution de ce problème de l'immersion répondrait à de très nombreux besoins. Ainsi, pour ce qui est des conditions gazeuses hostiles, les frotteurs des machines de traction électrique se trouvent très fréquemment rendus inutilisables, à la suite de précipitations nombreuses ou en raison de la persistance de brouillards salins épais. Les moteurs électriques, quant à eux, et plus particulièrement les moteurs à courant continu, se révèlent très rapidement limités, essentiellement pour des problèmes de pression des balais, tant en aéronautique, lorsqu'un certain plafond doit être dépassé, qu'en plongée où, quasi-exclusivement pour les sous-ensembles balais-collecteurs, des structures à coques épaisses résistant à la pression doivent être prévues, avec les problèmes d'étanchéité afférents.
Avec un moteur susceptible de fonctionner en étant immergé, une enceinte à coquè mince, mise en équi- pression, permettrait de résoudre la plupart des problèmes de structure et ceux inhérents à l'étanchéité, autorisant ainsi des développements importants pour les petits moteurs auxiliaires d'équipement de véhicules sous-marins ou d'installations de forages sous-marins. Enfin, pour des simples questions d'implantation et d'utilisation optimale des volumes disponibles, on comprendra que la possibilité d'immersion, par exemple d'une pompe à carburant dans un réservoir d'aile d'avion, mais également dans un réservoir de voiture, offrirait des avantages très importants.
Les balais classiques, métallographitiques ou électrographitiques, doivent être, comme mentionné ci-dessus, utilisés dans des atmosphères relativement contrôlées, et, à la différence des autres parties tournantes des machines électriques, sont confrontés, en immersion dans un milieu liquide, à des difficultés quasi-insurmontables, liées à la pression à appliquer aux balais pour contrer la force de soulèvement créée par le "coin d'huile" sous les balais,et aux phénomènes annexes d'électro-érosion qui rendent très rapidement inefficaces ces balais classiques.
La présente invention a précisément pour objet de proposer un dispositif de contact électrique glissant à balai multifilamentaire, permettant une utilisation indifférenciée, dans des conditions normales ou noyé dans un fluide, non oxydant et de faible viscosité, gazeux ou liquide, quelle que soit la pression de ce gaz ou de ce liquide.
La présente invention a pour autre objet, de proposer un dispositif de contact électrique glissant de ce type autorisant, dans un fonctionnement dans un gaz ou dans un liquide, des densités'de courant importantes, sans différences de potentiel de contact élevées, jusqu'à de grandes vitesses linéaires.
Pour ce faire,selon une caractéristique de la présente invention,le balai multifilamentaire,constitué d'un faisceau encastré de fils fins,présente une longueur en porte-à-faux excédant avantageusement d'au moins lO % l'espacement moyen normal entre les deux pièces se déplaçant relativement l'une par rapport à l'autre et entre lesquelles le contact électrique doit être établi.
Selon une autre caractéristique de la présente invention,la pièce porte-balai est normalement non sollicitée vers la seconde pièce,c'est-à-dire que,contrairement aux portes-balais traditionnels,il n'est pas indispensable de prévoir de dispositif assurant une pression d'application des balais sur la zone de contact en défilement de l'autre pièce.
On connaît déjà des dispositifs de contact électrique glissant à balais multifilamentaires, constitués de fils fins de diamètre inférieur à 80 microns, développés essentiellement pour limiter les pertes électriques et prévus impérativement pour être utilisés en appui sous pression sur une piste lisse, en atmosphère neutre ou légèrement réductrice.
Or, contrairement à cet enseignement, les demandeurs ont découvert qu'en maintenant la pièce support de balai à une distance sensiblement constante de la zone de contact de la pièce lui faisant vis-à-vis, sans exercer sur cette pièce porte-balai une pression tendant à appuyer en bout les balais sur l'autre pièce,mais en donnant à la partie libre ou en porte-à-faux des fils de ces balais une longueur supérieure à l'espacement normal entre les deux pièces, l'élasticité propre des fils constitutifs des balais permettait d'assurer, de façon contrôlée, le contact requis avec la zone de contact, au prix d'une déformation élastique par flexion de l'extrémité libre du faisceau de fils, en s'affranchissant ainsi du problème d'application d'une pression sur le porte-balai et, par voie de conséquence, des conditions d'utilisation en atmosphère raréfiée, ou dans des conditions de surpression.
En effet, également, contrairement aux enseignements de l'art antérieur, cette flexion élastique des balais ne nuit nullement à leur tenue, en particulier lors des inversions de déplacement relatif des deux pièces, mais au contraire, s'avère bénéfique en favorisant une relaxation des fils et en autorisant des durées de vie grandement augmentées. Cette dernière découverte, permet notamment l'utilisation de ces balais avec des bagues, non plus lisses mais rainurées transversalement, et également avec des collecteurs à lames, tout en garantissant un contact électrique optimum même dans des conditions gazeuses difficiles ou en immersion dans un liquide. En effet, contrairement aux balais massifs électrographitiques; le faisceau de fils, en raison de sa souplesse et de son aspect divisé, élimine quasi-totalement les coins d'huile et, n'induisant pas de sillage déprimogène, permet de garantir un contact électrique excellent même avec des liquides de viscosité notable.
On conçoit donc que le dispositif selon la présente invention permet la réalisation de contacts électriques glissants ou tournants en immersion dans un gaz ou un liquide relativement diélectriques et éventuellement hostiles comme évoqué ci-dessus,mais trouve également une utilisation avantageuse dans des agencements particuliers de machines tournantes.
On sait en effet que les caractéristiques de transfert de charges électriques et l'établissement des transitoires se trouvent fortement améliorés dans un dispositif de contact électrique en utilisant un agent "mouillant" intermédiaire bon conducteur de l'électricité,typiquement un métal liquide,déposé sur un au moins des éléments de contact.
La présente invention propose également un dispositif de contact glissant tournant dans lequel au moins une partie de l'interface entre les première et seconde pièces, en regard est occupée par une couche d'un métal liquide, avantageusement disposée sur la surface de contact de la seconde pièce.
La propriété susmentionnée relative à la non formation de coins d'huile et à la relative.'.insensibilité des balais à un écoulement relatif du liquide dans lequel ils sont noyés a permis d'aboutir de façon surprenante à des résultats tout à fait inédits en utilisant ces balais dans une chambre de contact électrique par métal liquide, par exemple pour les machines homopolaires. On sait que,dans ce type de chambre, se posent des problèmes de contact de surface entre le métal liquide et les surfaces de contact adjacentes,statorique ou rotorique,liés à la vitesse de rotation et aux champs électriques s'exerçant sur la masse de métal liquide de contact, et conduisant à des décollements radiaux non contrôlés des veines de métal liquide.Des solutions complexes et délicates ont été proposés pour remédier à ces inconvénients,notamment en réalisant uneréinjection' permanente sous forte pression du métal liquide dans la chambre.
La présente invention a pour autre objet de pallier ces défauts de manière efficace,sans nécessiter d'équipements auxiliaires structurels ou de puissance,au moyen d'un montage fiable,simple et ne nécessitant aucun entretien en installant des balais du type défini ci-dessus totalement immergés au moins dans les zones de contact localisé de telles chambres à contact électrique par métal liquide, les balais réalisant un effet de "bloquage", ou, plus exactement de freinage de la veine de métal liquide sans induire de perturbations nocives de l'écoulement de cette veine tout en jouant un rôle supplétif assurant le contact électrique dans les cas imprévus de fuites ou de vide partiel dans la chambre.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente i.nvention ressortiront de la description suivante de modes de rêalisations,donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de contact électrique selon la présente invention;
La figure 2 illustre un mode de réalisation appliqué à une machine tournante à bague collectrice lisse;
La figure 3 illustre un mode de réalisation d'une machine tournante à bague collectrice rainurée;
. La figure 4 est une vue partielle, en détail, d'une rainure de la bague de la figure 3;
La figure 5 est une vue schématique, en bout, d'une machine tournante à collecteur à lames;
La figure 6 représente, à plus grande échelle, un mode de montage des balais selon la présente invention; et
La figure 7 représente, de façon schématique, une machine tournante à chambre de contact électrique à métal liquide selon un autre aspect de la présente invention.

Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend une pièce porte-balai 1 et une pièce adjacente 2 susceptibles de se déplacer relativement l'une par rapport à l'autre comme figuré par la flèche 10 en conservant entre la face externe du support de balai 5 et la face externe de la zone de contact électrique 4 de la pièce 2 un espacement moyen sensiblement constant e . Sur la figure 1, la pièce 2 est par exemple un rail distributeur de courant, la pièce 1 étant un élément de frotteur solidaire par exemple d'une machine motrice. La pièce support de balai 5 est montée rigidement sur le corps 6 de la pièce 1 ou, optionnellement, flottante avec interposition d'un dispositif de rattrapage de jeu 8 n'induisant pas de force notable sur la pièce de support de balai 5 en direction de la piste 2. On a figuré en 7, un liquide ou un brouillard dans lequel est noyé le dispositif de contact électrique. Conformément à la présente invention, les balais 3, établissant la liaison électrique entre les pièces 1 et 2 et constitués d'un faisceau de fils fins métalliques, bons conducteurs de l'électricité et facilement écrouissa- bles, comprennent une partie encastrée 9 et une partie libre ou en porte-à-faux 9' dont la longueur ℓ est déterminée pour être supérieure d'au moins 10 %, avantageusement 15 à 20 %, à l'écartement e entre les pièces 1 et 2, de sorte que l'extrémité libre 9' prend, en position d'utilisation, une configuration fléchie représentée sur le balai gauche de la figure 1.
On retrouve sur la figure 2, le montage précédent appliqué àune.machine tournante avec une bague lisse 20, sur lesquelles portent au moins deux rangées 30, 30' de faisceaux de fils 3, les rangées s'étendant parallèlement à l'axe de rotation de la bague 20.
On a représenté sur la figure 3, une variante du montage de la figure 2, dans lequel la bague lisse 20 a été substituée par une bague rainurée 20' présentant des rainures 22 s'étendant parallèlement à l'axe de rotation, ces rainures délimitant des nervures longitudinales 21 au diamètre nominal de la bague 20'. Comme susmentionné, quoique ces rainures aient pour effet d'augmenter la différence de potentiel de contact, elles favorisent une meilleure tenue dans le temps des faisceaux de fils 30, 30' et permettent ainsi d'obtenir une plus grande stabilité dans le temps de cette différence de potentiel de contact. Comme représenté sur la figure 4, la largeur au sommet X des rainures 22 est avantageusement comprise entre 2 et 5 mm, la profondeur h de ces rainures étant avantageusement de l'ordre de 2 mm, déterminée pour que le fond de la rainure 22 soit à un niveau non susceptible d'être atteint par les extrémités des -fils 3 dans leur position de complète extension radiale. L'angle a des faces des rainures est choisi compris entre 45° et 60°, avantageusement 60°.
On a représenté sur la figure 5,un montage analogue mais appliqué cette fois à une machine tournante à courant continu, comprenant un collecteur 20" à lames 23 séparées les unes des autres par des lames isolantes, par exemple micassées. On notera sur la figure 5, la série de rangées parallèles de faisceaux de fils 3, ces faisceaux pouvant avoir une section droite circulaire ou encore une section droite allongée dans le sens de défilement des lames de collecteur de façon à couvrir un certain nombre de ces lames de collecteur pour garantir une bonne commutation et favoriser l'inversion du sens de rotation. On notera également le décalage des faisceaux de fils par rapport à la ligne neutre théorique 24 des lames de collecteurs.
Conformément à la présente invention, les fils des balais ont un faible diamètre, compris entre environ 10 wm et 300 µm avantageusement de l'ordre de 60 à 100 um. La longueur libre ℓ de ces fils est relativement faible, et est maintenue avantageusement inférieure à 15 mm. Les fils sont réalisés en alliage métallique dur, à bonne élasticité, présentant une bonne conductivité,par exemple, en bronze au cadmium ou en alliage FeSi et sont obtenus par tréfilage, suivi éventuellement d'un écrouissage. La résistance transversale des faisceaux de fils peut être augmentée artificiellement en isolant les fils les uns des autres par exemple en les revêtant individuellement d'une gaine, et en les encastrant dans une embase résistante 51 comme représenté sur la figure 6. La souplesse des balais de fils et leur faible caractère abrasif autorisent pour les pistes ou zones de contact 4 des bagues 20, 20' tout matériau électriquement conducteur adéquat, tel que le cuivre ou les alliages cuivre-zirconium.
Comme représenté sur la figure 1, les balais 3 peuvent être encastrés directement dans un support en cuivre 5, ou, comme représenté sur la figure 6, avec leurs extrémités intérieures engagées dans une cuvette 52, formée dans une pièce en cuivre 50, l'encastrement des fils et la détermination de leur longueur libre étant obtenus par une plaque perforée 51 en matériau isolant. La même structure peut être adoptée, avec une plaque 51 non plus en matériau non conducteur de l'électricité mais en un matériau au contraire bon conducteur formant radiateur pour l'évacuation de la chaleur dissipée dans les fils. Ceux-ci,comme représenté sur la figure 6, peuvent être mis en place à la façon des pions en brosserie, chaque faisceau étant constitué par un paquet de filsreplié en épingle à cheveux et maintenu dans la cuvette 52 par une boucle 53, par exemple en fil de laiton, les faisceaux étant reliés sur la face arrière de la plaque 50 par un autre fil de laiton 54.
Typiquement, les fils sont réunis en faisceaux présentant un diamètre inférieur ou égal à 10 mm, et sont assemblés en rangées parallèles proches l'une de l'autre, de façon que les fils des différents faisceaux puissent se toucher en flexion. Plus particulièrement, dans les machines à collecteur, les faisceaux peuvent être agencés suivant un quinconçage en fonction de la densité de courant prévue.Le dispositif selon la présente invention permet des densités de courant jusqu'à 100 A/cm² à des vitesses de défilement linéaires jusqu'à 40 m/s^-1 et au-delà,en autorisant des durées de vie, en immersion dans des liquides ou des gaz diélectriques non oxydants jusqu'à plusieurs milliers d'heures. Ces caractéristiques peuvent être encore augmentées en incorporant, dans les faisceaux de fils, des filaments lubrifiants.
Le dispositif selon la présente invention s'est révélé efficace pour des utilisations ponctuelles dans n'importe quel liquide ou gaz relativement non oxydant et de résistivité inférieure à 0,5 ohms par mètre (par exemple de l'eau de mer salée), le très faible effet abrasif des balais sur la surface de contact de la seconde pièce permettant de conserver pendant une.durée importante une mince pellicule d'or protectrice déposée sur cette surface. Avec des liquides de viscosité inférieure.à 100 centipoises, tels que des huiles minérales, des hydrocarbures ou des saumures potassiques, le dispositif s'est révélé très satisfaisant en endurance.
L'aptitude des balais à maintenir le contact électrique en immersion dans un liquide, même à des vitesses élevées, permet également d'utiliser le dispositif de contact électrique selon la présente invention dans les systèmes tournants à contact électrique assuré,au moins partiellement, par un métal liquide compatible avec le matériau des balais, tels que HgIn ou l'eutectique NaK. En particulier, dans tout type de machine à bague lisse, on peut avantageusement dépo- .ser sur la surface de cette bague une mince pellicule de métal liquide, comme représenté en 31 sur la figure 2, ce métal liquide assurant un effet de "mouillabilité" de cette surface améliorant considérablement la qualité du contact électrique avec les balais 30,dont les extrémités libres de contact seront par ailleurs revêtues en permanence d'une petite quantité de ce métal liquide, retenue notamment par capillarité.
On a représenté sur la figure 7 un développement particulièrement important de la présente invention. Sur cette figure est schématisée une machine homopolaire à contact par métal liquide, l'induction extérieure Bo étant créée par exemple par un solénoïde supra-conducteur pour at- teindre des valeurs de l'ordre de quelques Tesla. Le disque 200 solidaire de l'arbre 40 du rotor est monté dans une chambre cylindrique 41 de façon à définir, avec les éléments de carcasse statorique 100, 101 deux zones annulaires de contact localisé I et II pour le passage du courant i, dont le trajet est figuré en traits mixtes , la fermeture du circuit de courant étant assurée, dans les zones de contact, par le métal liquide 42 remplissant au moins partiellement la chambre 41, ce métal ou alliage présentant des caractéristiques d'agent mouillant, une haute conductibilité et possédant une large zone de températures entre le point d'ébullition et le point de congélation.Les surfaces isolées électriquement de la chambre sont représentées en hachures d'isolant . Conformément à la présente invention, dans les zones de contact I et II sont disposées entre les éléments stationnaires 100 et 101 et la périphérie du disque 200 au moins deux rangées de faisceaux de fils 30 du type ci-dessus défini, qui ont pour objet notamment de "calmer", ou bloquer la mise en rotation due aux forces de Laplace de la veine de métal liquide dans ces zones en ralentissant notablement les sur-vitesses relatives de ces veines et en permettant ainsi un fonctionnement amélioré, à faible coût, de la machine pour des vitesses de rotation élevées.
Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art;

Claims

1 - Dispositif de contact électrique glissant entre deux pièces se déplaçant relativement l'une par rapport à l'autre en gardant entre elles un espacement moyen normalement sensiblement constant, une première de ses pièces portant au moins un balai multifilamentaire constitué d'un faisceau de fils fins, encastré par une de ses extrémités dans la première pièce en portant en appui, à son autre extrémité, sur au moins une zone de contact électrique aménagée sur la seconde pièce, caractérisé en ce que la longueur en porte-à-faux (k) des filaments du balai (3) excède d'au moins 10 % l'espacement moyen (e) entre les deux pièces (1, 2).

2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première pièce (1,5) est normalement non sollicitée vers la seconde pièce (4, 2).

3 - Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les fils ont un diamètre inférieur à 300 µm.

4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fils sont en bronze au cadmium.

5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la longueur en porte-à-faux (t) du fil est inférieure ou égale à 15 mm.

6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde pièce (20) est une bague lisse de-machine électrique tournante.

7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde pièce (20') est une bague rainurée transversalement de machine électrique tournante.

8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la profondeur (h) des rainures (22) est supérieure à la longueur en porte-à-faux des fils.

9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde pièce (20") est un collecteur à lames (23) de machine électrique tournante.

10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la première pièce (1) porte au moins une rangée (30, 30') de faisceaux de fils (3) s'étendant dans une direction perpendiculaire au défilement de la zone de contact de la seconde pièce.

11 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'au moins l'interface entre les première et seconde pièces est noyé dans un fluide (7) relativement diélectrique, non oxydant et de faible viscosité.

12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendication 1 à 10, caractérisé en ce qu'au moins la surface de contact de la seconde pièce (20) est revêtue d'une couche de métal liquide (31).

13 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'au moins l'interface entre les premières (100, 101) et secondes pièces (200) est noyé dans un métal liquide de contact électrique (42).

14 - Machine électrique tournante, caractérisée en ce qu'elle comprend,entre des éléments mutuels de stator et de rotor,un dispositif de contact électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes.

15 - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les fils (9) sont individuellement revêtus d'une gaine isolante.

16 - Dispositif selon la revendication 15 caractérisé en ce que les fils (9) sont encastrés sur une partie de leur longueur dans une embase (51).