EP0618648A1

EP0618648A1 - Procédé de fabrication d'un rotor de collecteur électrique tournant

Info

Publication number: EP0618648A1
Application number: EP94400657A
Authority: EP
Inventors: Bernard Blanchard
Original assignee: Air Precision SA
Current assignee: Everaxis Aerospace and Defence SAS
Priority date: 1993-03-30
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 1994-10-05
Anticipated expiration: 2014-03-28
Also published as: EP0618648B1; FR2703523B1; DE69401828T2; FR2703523A1; DE69401828D1; DE618648T1

Abstract

Pour fabriquer le rotor d'un collecteur électrique tournant, on réalise une ébauche (10) de bagues collectrices, en un matériau électriquement conducteur, en empilant des pièces (16) à section en forme de L, de façon à former une partie tubulaire extérieure (14) et des parties (12) formant bagues faisant saillie radialement à l'intérieur de la partie tubulaire. L'ébauche (10) est maintenue entre deux plaques (22) et remplie partiellement de résine liquide (28). La résine est ensuite centrifugée et durcie par l'application d'un cycle thermique. Enfin, la partie tubulaire extérieure (14) est éliminée par usinage. <IMAGE>

Description

L'invention concerne un procédé de fabrication du rotor d'un collecteur électrique tournant.
Les collecteurs électriques tournants sont des dispositifs qui permettent de transmettre simultanément plusieurs signaux électriques entre une partie fixe, ou stator et une partie mobile ou rotor. De tels dispositifs sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels parmi lesquelles on citera, uniquement à titre d'exemples, les machines-outils, les transports aériens, navals et terrestres, etc.
Le rotor d'un collecteur électrique tournant comprend un nombre de bagues électriquement conductrices égal au nombre des signaux électriques que doit transmettre le dispositif. Ces bagues électriquement conductrices sont disposées coaxialement sur un axe électriquement isolant et séparées les unes des autres par un matériau électriquement isolant.
Le stator des collecteurs électriques tournants comprend généralement, en face de chacune des bagues électriquement conductrices, au moins deux balais tels que des fils électriquement conducteurs frottant en permanence sur les bagues. Des gorges à section en forme de V peuvent être usinées sur les bagues électriquement conductrices pour assurer le guidage des balais.
La technique de fabrication traditionnelle du rotor d'un collecteur électrique tournant consiste à monter, sur un axe creux ou plein réalisé en un matériau électriquement isolant, un empilement formé alternativement de bagues électriquement conductrices et de bagues électriquement isolantes. Cet empilement est bloqué au moyen d'une bague d'arrêt fixée sur l'axe, par exemple par collage. Les liaisons électriques sont assurées par des conducteurs électriques qui cheminent à l'intérieur de l'axe et sont soudées sur chacune des bagues électriquement conductrices à leurs extrémités.
Cette technique de fabrication traditionnelle est satisfaisante pour de nombreuses applications. Cependant, elle est relativement coûteuse et ne peut pratiquement pas être utilisée pour la fabrication des rotors de petites dimensions.
On sait aussi fabriquer les rotors des collecteurs électriques tournants en utilisant une technique de moulage par gravité permettant de fabriquer la partie électriquement isolante du rotor à partir d'une résine initialement à l'état liquide. Les bagues électriquement conductrices sont positionnées dans un moule, puis la résine est introduite par gravité, sans pression. L'application d'un cycle thermique assure le durcissement de la résine, par exemple par polymérisation.
Par rapport aux techniques de fabrication traditionnelles, cette technique de fabrication par moulage sans pression a pour avantages d'être moins coûteuse et d'autoriser la fabrication de rotors de dimensions quelconques. En outre, des inserts peuvent être introduits lors du moulage, notamment pour faciliter le raccordement mécanique du rotor aux pièces adjacentes.
La technique de fabrication des rotors par moulage sans pression a cependant pour inconvénient de nécessiter l'utilisation d'un moule de taille différente pour chaque type de rotor à fabriquer, ce qui rend ce procédé coûteux. En outre, le respect d'un dimensionnement très précis, notamment en ce qui concerne l'écartement entre les différentes bagues électriquement conductrices du rotor est très difficile à assurer.
L'invention a précisément pour objet un nouveau procédé permettant de fabriquer le rotor d'un collecteur électrique tournant en utilisant une résine initialement à l'état liquide mais sans nécessiter la présence d'un moule, de façon à tirer profit des avantages procurés par la technique de fabrication connue utilisant le moulage sans pression, tout en étant moins coûteux et en permettant un dimensionnement plus précis.
Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de fabrication d'un rotor de collecteur électrique tournant, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes :

formation d'une ébauche de bagues collectrices, en un matériau électriquement conducteur, comportant une partie tubulaire extérieure et des parties formant bagues espacées les unes des autres et faisant saillie radialement vers l'intérieur à partir de ladite partie tubulaire ;
fermeture partielle d'un espace intérieur à ladite ébauche, au moins dans une région périphérique de cet espace ;
introduction d'une résine liquide dans ledit espace ;
centrifugation de la résine par rotation de l'ébauche et application simultanée d'un cycle thermique de durcissement de la résine, de façon à former un bloc annulaire rigide ; et
élimination de ladite partie tubulaire extérieure.

L'utilisation de la force centrifuge permet de répartir uniformément la résine à l'intérieur de l'ébauche de bagues collectrices. De plus, l'emploi d'une ébauche présentant une partie tubulaire extérieure dépourvue de perforation empêche l'échappement de la résine lors de la centrifugation. L'élimination ultérieure de cette partie tubulaire extérieure, après durcissement de la résine, permet d'obtenir directement le rotor.
Il est ainsi possible de fabriquer un rotor dont le dimensionnement précis est très facile à contrôler, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un moule. Une économie notable peut donc être réalisée lorsque des rotors de types différents doivent être fabriqués. Par ailleurs, la répartition de la résine par centrifugation permet de supprimer toute contrainte résiduelle dans le rotor ainsi obtenu, ce qui garantit notamment un dimensionnement précis de l'écartement entre les différentes bagues électriquement conductrices.
Dans une forme de mise en oeuvre préférentielle, l'ébauche est obtenue en empilant plusieurs pièces comportant chacune un tronçon de la partie tubulaire extérieure et une des parties formant bague. Avantageusement, chacune de ces pièces présente sensiblement en section la forme d'un L dont les deux branches constituent respectivement ledit tronçon et ladite partie formant bague.
On utilise alors, de préférence, des pièces comportant des faces d'extrémités complémentaires qui assurent leur autocentrage lorsqu'on les empile pour former l'ébauche.
Pour fermer partiellement l'espace intérieur à l'ébauche, on place cette dernière entre deux plaques dont l'une au moins possède un orifice d'introduction de la résine liquide.
De préférence, les faces de ces plaques tournées vers l'ébauche sont alors complémentaires des faces d'extrémités de cette dernière, de façon à assurer un autocentrage de l'ébauche entre les plaques.
Pour assurer la centrifugation, on fixe les plaques sur un arbre que l'on fait tourner à vitesse sensiblement constante à l'aide d'un moteur.
Par ailleurs, on applique le cycle thermique de durcissement de la résine en plaçant l'ensemble comprenant l'ébauche, les plaques et l'arbre dans une enceinte à atmosphère contrôlée.
L'élimination de la partie tubulaire extérieure du bloc annulaire rigide obtenu après centrifugation de l'ébauche est réalisée avantageusement par usinage.
En outre, avant de fermer partiellement l'espace intérieur à l'ébauche, on soude un conducteur électrique à l'intérieur de chacune des parties formant bagues.
On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une mise en oeuvre préférentielle du procédé selon l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :

la figure 1 représente l'ébauche de bagues collectrices remplie de résine liquide et placée dans l'outillage permettant d'en assurer la centrifugation ainsi que le durcissement de la résine ;
la figure 2 est une vue en coupe longitudinale illustrant schématiquement le bloc annulaire rigide obtenu après durcissement de la résine ; et
la figure 3 est une vue en coupe longitudinale comparable à la figure 2 représentant le rotor terminé, obtenu après usinage du bloc rigide illustré sur la figure 2.

On décrira tout d'abord, en se référant la figure 1, les premières étapes du procédé de fabrication d'un rotor de collecteur électrique tournant, conforme à l'invention.
Dans un premier temps, on réalise une ébauche 10 de bagues collectrices, en un matériau électriquement conducteur, tel que du cuivre, etc. L'ébauche 10 comprend une partie tubulaire extérieure 14 dépourvue de perforation et des parties 12 formant bagues, qui font saillie radialement vers l'intérieur à partir de la partie tubulaire extérieure 14.
Les parties 12 formant bagues sont écartées les unes des autres. Elles sont destinées à constituer les bagues électriquement conductrices du rotor.
La partie tubulaire extérieure 14 sert à la fois à maintenir entre les parties 12 formant bagues l'écartement souhaité et à empêcher l'échappement de la résine vers l'extérieur lors de la centrifugation. Elle sera éliminée à un stade ultérieur de la fabrication, de sorte qu'elle ne fera pas partie du rotor.
Il est à noter que si la figure 1 représente une ébauche 10 dont les parties formant bagues 12 présentent toutes une même épaisseur et sont séparées les unes des autres par des distances identiques, les épaisseurs des parties 12 formant bagues ainsi que leur écartement peuvent prendre des valeurs quelconques et notamment différentes sur la longueur de l'ébauche 10, sans sortir du cadre de l'invention.
Dans la forme de réalisation préférentielle illustrée sur la figure 1, l'ébauche 10 de bagues collectrices est formée par un empilement de pièces 16 qui présentent toutes en section sensiblement la forme d'un L. Chacune de ces pièces 16 comporte l'une des parties 12 formant bagues, ainsi qu'un tronçon de la partie tubulaire extérieur 14. Plus précisément, chacune des parties formant bagues 12 fait saillie radialement vers l'intérieur de l'ébauche 10 à partir d'une extrémité du tronçon correspondant de la partie tubulaire 14.
Il est à noter que les tronçons de la partie tubulaire 14 de l'ébauche 10, formés dans chacune des pièces 16, présentent tous la même épaisseur et les mêmes diamètres intérieurs et extérieurs. De même, les différentes parties formant bagues 12 présentent toutes le même diamètre intérieur. Ainsi, l'ébauche 10 a une symétrie de révolution autour de son axe longitudinal lorsque les pièces 16 sont empilées d'une manière coaxiale comme l'illustre la figure 1.
Afin d'assurer cet empilement coaxial ou autocentrage des pièces 16, la face d'extrémité de chacune de ces pièces 16 formée sur la partie 12 formant bague de cette pièce comporte sur sa périphérie extérieure une partie en retrait 18. L'extrémité du tronçon de la partie tubulaire extérieure 14 qui est en contact avec cette face d'extrémité est complémentaire de la partie en retrait 18, de sorte qu'elle s'y emboîte, comme l'illustre la figure 1, de façon à réaliser l'autocentrage désiré.
Il est à noter qu'en variante, l'ébauche 10 de bagues collectrices peut être réalisée d'une manière différente de celle qui vient d'être décrite. Ainsi, cette ébauche peut notamment être réalisée d'une seule pièce par usinage ou encore en empilant des pièces présentant en section sensiblement la forme d'un T.
A un moment qui peut se situer selon le cas avant ou après la réalisation de l'empilement de pièces 16, l'extrémité d'un conducteur électrique 20 est soudée sur la surface périphérique intérieure de chacune des parties 12 formant bagues. Les conducteurs électriques 20 sont destinés à assurer la transmission des signaux électriques entre les bagues électriquement conductrices du rotor et des circuits ou systèmes électriques extérieurs tournant avec ce rotor.
Comme l'illustre la figure 1, l'ébauche 10 de bagues collectrices est montée dans un outillage permettant de la remplir partiellement de résine, de la faire tourner autour de son axe pour centrifuger la résine et de soumettre cette dernière à un cycle thermique approprié.
La partie de l'outillage permettant de remplir l'ébauche 10 partiellement de résine et d'assurer la centrifugation de celle-ci comprend tout d'abord deux plaques 22 en forme de disques circulaires, que l'on place sur les extrémités de l'ébauche 10. Ces plaques 22 permettent de maintenir en contact les différentes pièces 16 de l'ébauche et de fermer partiellement l'espace 24 délimité à l'intérieur de cette dernière, au moins dans la zone périphérique adjacente à l'ébauche 10.
Comme l'illustre également la figure 1, les faces des plaques 22 tournées vers les faces d'extrémités de l'ébauche 10 présentent des formes complémentaires de celles de ces faces d'extrémités, de telle sorte que les plaques 22 sont automatiquement centrées sur l'ébauche.
L'une des plaques 22 comporte à proximité de son axe un orifice 26 d'introduction de résine liquide. Lorsque les plaques 22 sont bloquées sur l'ébauche 10 de façon à fermer partiellement l'espace intérieur 24, de la résine liquide 28 est introduite par cet orifice 26.
Pour assurer le blocage des plaques 22 contre les extrémités de l'ébauche 10 et, par conséquent, l'immobilisation des pièces 16 entre ces plaques, on introduit un arbre 30 dans un passage circulaire formé au centre de chacune des plaques 22. Un épaulement 32 formé sur l'arbre 30 vient en appui contre la face extérieure de l'une des plaques 22. Un écrou 34 vissé sur un filetage 36 formé à l'extrémité opposée de l'arbre 30 prend appui sur la face extérieure de l'autre plaque 22 pour assurer le blocage désiré. De façon facultative, des clavettes 35 peuvent être interposées entre l'arbre 30 et chacune des plaques 22 pour solidariser ces organes en rotation.
Lorsque cet assemblage est réalisé, on introduit la résine 28 à l'état liquide dans l'espace intérieur 24 par l'orifice d'introduction 26. Cette introduction peut être faite manuellement ou d'une manière automatisée. Il est important d'observer que le volume de résine liquide 28 introduite dans l'espace intérieur 24 est déterminé avec précision afin que le rotor terminé présente le diamètre intérieur désiré.
Comme l'illustre schématiquement la figure 1, l'arbre 30 est fixé coaxialement sur l'arbre de sortie d'un moteur 38 tel qu'un moteur électrique de nature quelconque, apte à entraîner en rotation l'arbre 30, les plaques 22, l'ébauche 10 ainsi que la résine liquide 28. L'arbre 30 peut être réalisé d'un seul tenant comme on l'a illustré schématiquement sur la figure 1 ou, de préférence, en deux tronçons démontables formant respectivement l'arbre de sortie du moteur 38 et l'arbre de blocage de l'ébauche 10 entre les plaques 22.
L'ensemble ainsi formé est monté sur un support illustré schématiquement en 40 sur la figure 1, par exemple afin de donner à l'axe de l'arbre 30 une orientation sensiblement horizontale. Ce support 40 est lui-même placé à l'intérieur d'une enceinte 42 à atmosphère contrôlée, telle qu'un autoclave, permettant d'appliquer à la résine 28 le cycle thermique de durcissement préconisé par son fabricant.
La résine 28 peut être une résine thermodurcissable telle qu'une résine époxyde ou une résine d'un tout autre type dont le durcissement peut être obtenu en lui appliquant un cycle de température prédéterminé.
Lorsque le montage illustré schématiquement sur la figure 1 a été réalisé, on effectue la centrifugation de la résine 28 contenue dans l'ébauche 16 et on applique simultanément le cycle thermique de durcissement de cette résine. A cet effet, on actionne le moteur 38 pour faire tourner sensiblement à vitesse constante l'arbre 30, les plaques 22, l'ébauche 10 et la résine 28, comme l'illustre la flèche F. La vitesse de rotation est déterminée en fonction du diamètre de l'ébauche 10, afin que soit appliquée sur la résine 28 une force centrifuge suffisante pour que cette résine se trouve répartie de façon homogène sur toute la circonférence intérieure de l'ébauche 10.
Cette rotation à vitesse sensiblement constante commandée par le moteur 38 se poursuit pendant toute la durée de l'application du cycle thermique tel qu'un cycle de polymérisation permettant de faire durcir la résine 28 à l'intérieur de l'ébauche 10.
Bien entendu, le montage illustré schématiquement sur la figure 1 n'est donné qu'à titre explicatif. En effet, dans le cadre d'une mise en oeuvre industrielle du procédé conforme à l'invention, un moteur unique est utilisé pour entraîner simultanément en rotation plusieurs ébauches remplies de résine initialement à l'état liquide, par l'intermédiaire de mécanismes de transmission de mouvements bien connus des spécialistes. Dans cet agencement, le moteur 38 peut être placé soit à l'intérieur de l'enceinte 42, soit à l'extérieur de celle-ci.
Lors du montage de l'ébauche 10 entre les plaques 22, les conducteurs électriques 20 sont placés dans la position que l'on désire obtenir sur le rotor en cours de fabrication. Cette position peut être telle que les conducteurs soient noyés dans la résine 28 à l'intérieur du rotor et sortent de ce dernier par une face d'extrémité comme on l'a illustré sur les figures. Il est aussi possible de disposer chacun des conducteurs électriques 20 de telle sorte qu'ils sortent radialement à l'intérieur de la résine 28, puis cheminent dans la partie centrale évidée du rotor. Dans l'un et l'autre cas, les conducteurs électriques 20 traversent des passages prévus à cet effet dans l'une des plaques 22.
Lorsque les opérations simultanées de centrifugation et d'application d'un cycle thermique de durcissement de la résine 28 sont terminées, l'ensemble constitué par l'ébauche 10 de bagues collectrices et par la résine 28 forme un bloc annulaire rigide 43 tel qu'illustré sur la figure 2. Dans ce bloc annulaire rigide, la résine 28 solidifiée remplit les espaces formés entre les parties formant bagues 12 et forme, à l'intérieur de ces parties 12 un arbre creux dont le diamètre intérieur est uniforme et dépend, comme on l'a vu, de la quantité de résine liquide introduite initialement dans l'espace intérieur 24.
Compte tenu du procédé utilisé, il est important d'observer que le bloc annulaire rigide 43 de la figure 2 est dépourvu de contraintes résiduelles et que l'épaisseur de la résine électriquement isolante entre les parties 12 formant bagues correspond précisément à l'écartement désiré.
Pour terminer la fabrication du rotor 44 illustré sur la figure 3, on procède ensuite à l'élimination, de préférence par usinage, de la partie tubulaire extérieure 14 de l'ébauche 10, afin d'obtenir des bagues électriquement conductrices 12a isolées les unes des autres par la résine 28. A la fin de cette opération, on usine sur la surface extérieure de chacune des bagues 12a, au moins une gorge de guidage 46 à section en forme de V, dans laquelle viendront se placer les balais électriquement conducteurs du stator.
En outre, des traitements de surfaces ultérieurs peuvent être effectués, de façon classique, pour accroître la durée de vie du rotor. Ainsi, un matériau de protection peut être déposé sur la périphérie de chacune des bagues 12a électriquement conductrices, selon une technique connue.

Claims

Procédé de fabrication d'un rotor (44) de collecteur électrique tournant, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes :
- formation d'une ébauche (10) de bagues collectrices, en un matériau électriquement conducteur, comportant une partie tubulaire extérieure (14) et des parties formant bagues (12) espacées les unes des autres et faisant saillie radialement vers l'intérieur à partir de ladite partie tubulaire ;

- fermeture partielle d'un espace (24) intérieur à ladite ébauche, au moins dans une région périphérique de cet espace ;

- introduction d'une résine liquide (28) dans ledit espace ;

- centrifugation de la résine par rotation de l'ébauche et application simultanée d'un cycle thermique de durcissement de la résine, de façon à former un bloc annulaire rigide (43) ; et

- élimination de ladite partie tubulaire extérieure (14).
Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on forme ladite ébauche (10) en empilant plusieurs pièces (16) comportant chacune un tronçon de ladite partie tubulaire extérieure (14) et une des parties formant bagues (12).
Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on utilise des pièces (16) présentant sensiblement en section la forme d'un L dont les deux branches constituent respectivement ledit tronçon et ladite partie formant bague (12).
Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait qu'on utilise des pièces (16) comportant des faces d'extrémité complémentaires assurant leur autocentrage lorsqu'on les empile pour former ladite ébauche (10).
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on ferme partiellement l'espace intérieur à l'ébauche (10) en plaçant cette dernière entre deux plaques (22) dont l'une au moins possède un orifice (26) d'introduction de la résine liquide (28).
Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'on utilise des plaques (22) dont les faces tournées vers l'ébauche (10) sont complémentaires de faces d'extrémité de cette ébauche, de façon à assurer un autocentrage de l'ébauche entre les plaques.
Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé par le fait qu'on centrifuge la résine (28) en fixant les plaques (22) sur un arbre (30) que l'on fait tourner à vitesse sensiblement constante.
Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'on applique le cycle thermique de durcissement de la résine en plaçant un ensemble comprenant l'ébauche (10), les plaques (22) et l'arbre (30) dans une enceinte (42) à atmosphère contrôlée.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on élimine la partie tubulaire extérieure (14) par usinage.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'avant de fermer partiellement l'espace (24) intérieur à l'ébauche (10), on soude un conducteur électrique (20) à l'intérieur de chacune des parties formant bagues (12).