EP1719217A1 - Balais pour moteurs electriques fonctionnant a haute temperature - Google Patents

Balais pour moteurs electriques fonctionnant a haute temperature

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Publication number
EP1719217A1
EP1719217A1 EP05717532A EP05717532A EP1719217A1 EP 1719217 A1 EP1719217 A1 EP 1719217A1 EP 05717532 A EP05717532 A EP 05717532A EP 05717532 A EP05717532 A EP 05717532A EP 1719217 A1 EP1719217 A1 EP 1719217A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
particles
mixture
typically
copper
metal
Prior art date
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Granted
Application number
EP05717532A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1719217B1 (fr
Inventor
Emmanuel Joly
Michel Lincker
Yannick Pecoul
Louis Plumer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carbone Lorraine Applications Electriques
Original Assignee
Carbone Lorraine Applications Electriques
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Filing date
Publication date
Application filed by Carbone Lorraine Applications Electriques filed Critical Carbone Lorraine Applications Electriques
Publication of EP1719217A1 publication Critical patent/EP1719217A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1719217B1 publication Critical patent/EP1719217B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/20—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush characterised by the material thereof
    • H01R39/22—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush characterised by the material thereof incorporating lubricating or polishing ingredient
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/20—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush characterised by the material thereof

Definitions

  • the invention relates to brushes for electric motors, more particularly those used to operate the equipment mounted on board automobiles (motor fans (independent fans fixed directly to the radiator) and other fans, alternators, auxiliary motors, etc.), for which high efficiency is sought.
  • motor fans independent fans fixed directly to the radiator
  • alternators alternators
  • auxiliary motors etc.
  • Such electric motors operate at low voltage with a high current. Because of this high current, the brushes equipping these motors must ensure an electrical contact rubbing at high temperature, typically greater than 100 ° C., or even greater than 200 ° C., with a current density greater than 15 A / cm 2.
  • the on-board electric motors concerned by the invention have completely different operating conditions from those of the starters.
  • the starters are called to operate a hundred thousand times for a few milliseconds under current densities greater than 500 A / cm2.
  • Application US2003 / 0135993 describes brushes suitable for such operating conditions. They are certainly subjected to violent stresses but they work very little in cumulative time and therefore heat up little during the short period when they work.
  • engines such as motor fans, placed under the hoods of vehicles, subjected to increasingly high temperatures, work continuously, i.e. as long as the heat engine is running. They work at lower current densities, typically below 50 A / cm2, but they are subjected to Joule heating and must operate at high temperatures, above 100 ° C, or even above 200 ° C during the operating life of a motor vehicle, namely several thousand hours, typically more than 2000 hours.
  • the brushes for electric motors of equipment mounted on board automobiles are generally made up of a mixture of copper particles and graphoid particles.
  • Copper particles can come from various origins: electrolytic copper (copper obtained by electrolytic deposition on a cathode, the anode being pure copper, the electrolyte typically being a mixture of copper sulphate, sulfuric acid and additives), atomized copper (molten copper dispersed in the form of fine droplets under the effect of a violent gas or liquid jet) or pounded copper (ground atomized copper in the form of fine lamellae).
  • electrolytic copper copper obtained by electrolytic deposition on a cathode, the anode being pure copper, the electrolyte typically being a mixture of copper sulphate, sulfuric acid and additives
  • atomized copper molten copper dispersed in the form of fine droplets under the effect of a violent gas or liquid jet
  • pounded copper ground atomized copper in the form of fine lamellae
  • Graphoids include various graphites, generally natural graphites, and organic binders.
  • the mixture thus formed is treated hot and then ground to obtain the graphoid particles.
  • generally conductive abrasives are added, typically carbides - for example carbide of silicon, or cokes, and solid lubricants, typically molydene disulfide (MoS 2 ).
  • MoS 2 molydene disulfide
  • the Applicant has therefore sought to develop a method making it possible to obtain a brush material for an electric motor which has improved wear resistance when the motor operates at a temperature above 100 ° C., typically close to 150 ° C., while allowing said engine to present a substantially constant performance throughout its lifetime.
  • the cumulative operating time of the motors concerned 25 can range from a few hours (window winders, windscreen wipers) to more than 2000 hours (motor fans).
  • a first object of the invention is a sliding contact piece transmitting an electric current of high density, typically greater than 15 A / cm 2 and less than 50 A / cm2, comprising copper particles, graphoid particles, resulting from the grinding of a mixture of graphite particles, preferably natural graphite, and organic binders, characterized in that, for transmitting said current for at least 2000 hours at a temperature above 100 ° C, typically close to 150 ° C, said contact part comprises copper particles whose weight percentage is between 20% and 60% and also particles comprising, under form of metal or compound of said metal, an additional metal belonging to the group consisting of the following elements: zinc, manganese and tin.
  • the sliding contact piece capable of transmitting an electric current is a current-conducting friction element, such as a brush for an electric motor.
  • the current density transmitted through the contact can be greater than 15 A / cm 2 .
  • the envisaged application corresponds to small electric motors on board an automobile such as motor-fans, fans, alternators, etc. which operate with a current whose intensity, typically less than 50 A / cm 2 , is less than that which is necessary to operate a starter, typically greater than 100 A / cm 2 .
  • the average value of the density of the current which feeds these motors is constantly increasing to meet the increasing power requirements, which have so far been less than one kilowatt. Such motors must be supplied without interruption, which results in an increasingly high operating temperature.
  • the conditions used to test the endurance of the materials constituting brushes for electric motors are as follows: the brush must transmit for 2000 hours a current density of 25 A / cm 2 , the ambient temperature in the motor being close to 150 ° C.
  • a fairly high copper content by weight is preferably chosen, typically of the order of 30%, between 20% and 60%, preferably between 20% and 30%.
  • the material resulting from the mixture generally has a low electrical resistivity (AG resistivity or "against grain", that is to say in the direction perpendicular to the largest dimension of the grains), however greater than 200 ⁇ cm (2 10 " 6 ⁇ m) but to remain typically less than 10,000 ⁇ cm (10 "4 ⁇ m), preferably less than 5000 ⁇ cm (5 10 -5 ⁇ m), after 2000 hours of use at 150 ° C.
  • AG resistivity or "against grain” that is to say in the direction perpendicular to the largest dimension of the grains
  • the copper particles can be obtained by mixing particles of various origins (electrolytic copper, atomized copper, pounded copper) and which have an apparent density typically between 0.3 g / cm 3 and 4 g / cm 3 .
  • electrolytic copper is used, with an apparent density between 0.6 and 0.9 g / cm 3 or a mixture of particles of electrolytic copper (65% to 100% by weight) and pounded copper (apparent density included between 0.9 and 1.2 g / cm 3 ) (0% to 35% by weight).
  • the graphoids preferably comprise natural graphites, and organic binders, preferably of the phenolic type or based on polyamides or else on polyethylene terephthalate.
  • the solid lubricant, typically molybdenum disulfide can be included in the composition of the graphoid.
  • a conductive abrasive is added to the copper + graphoid mixture, preferably a mixture of coke and silicon carbide and an additional metal belonging to the group consisting of metals and alloys based on zinc, manganese or tin.
  • Said additional metal is added to the material in the form of metal particles or in the form of a compound of said metal, preferably unstable at the firing temperature of the mixture.
  • an oxide, a carbonate or a sulfate will preferably be chosen for zinc.
  • the weight content in this said additional metal is advantageously between 0.1% and 20%, preferably between 0.5 and 10%.
  • Another object of the invention is a method of manufacturing a sliding contact part capable of transmitting an electric current of high density, typically greater than 15 A / cm 2 and less than 50 A / cm 2 , comprising particles of copper and graphoid particles, resulting from the grinding of a mixture of graphite particles and organic binders, characterized in that: a) a mixture of copper particles, graphoid particles and particles comprising, in the form of of metal or of a compound of said metal, an additional metal belonging to the group consisting of the following elements: zinc, manganese and tin, the weight percentage of the copper particles being between 20% and 60%, the weight percentage of the graphoid particles being included between 45% and 75%, and the weight percentage of the additional metal or of its compound being between 0.5% and 20%.
  • the particles thus mixed are brought to a cooking temperature between 250 ° C and 700 ° C, preferably between 250 ° C and 450 ° C, typically at a temperature close to 400 ° C, for a time between 0 , 5 and 10 hours, typically close to 4 hours, under a reducing gas atmosphere, comprising between 5% and 50% of hydrogen, the balance being nitrogen or a neutral gas, typically a mixture comprising 40% of hydrogen and 60% nitrogen.
  • a cooking temperature between 250 ° C and 700 ° C, preferably between 250 ° C and 450 ° C, typically at a temperature close to 400 ° C, for a time between 0 , 5 and 10 hours, typically close to 4 hours, under a reducing gas atmosphere, comprising between 5% and 50% of hydrogen, the balance being nitrogen or a neutral gas, typically a mixture comprising 40% of hydrogen and 60% nitrogen.
  • the graphoid itself results from the mixture of graphite, preferably natural, organic binder, preferably phenolic, typically a bakelite resin, and solid lubricant, typically molybdenum disulfide, the whole having been mixed preferably by kneading. wetland, the solvent then being evaporated and the powder crushed and sieved to obtain a particle size corresponding to a pass less than 630 ⁇ m, preferably between 90 and 355 ⁇ m.
  • graphite preferably natural, organic binder, preferably phenolic, typically a bakelite resin
  • solid lubricant typically molybdenum disulfide
  • a conductive abrasive such as a mixture of silicon carbide and coke, in a proportion by weight typically comprised between 0.05% and 1%.
  • the mixture thus obtained is brought to a cooking temperature of between 250 ° C and 700 ° C, preferably between 250 ° C and 450 ° C, typically, to about ten degrees, at a temperature close to 400 ° C, for a period of between 0.5 and 10 hours, typically close to 4 hours, under a reducing gas atmosphere, comprising between 5% and 50% of hydrogen and the additional nitrogen or neutral gas, typically a 40% mixture hydrogen and 60% nitrogen.
  • Another object of the invention is the use of a sliding contact piece comprising copper particles, graphoid particles, the weight percentage of the copper particles being between 20% and 60%, said contact piece comprising also particles comprising, in the form of a metal or a compound of said metal, an additional metal belonging to the group consisting of the following elements: zinc, manganese and tin, characterized in that said part is used as a brush of an electric current motor continuous fitted to a motor vehicle - such as a fan, a window regulator motor, a wiper motor or an alternator - and operating under an electric voltage less than or equal to 60 volts, said part transmitting an electric current of density greater than 15 A / cm 2 and less than 50 A / cm 2 and being able to transmit said current for 2000 hours at a higher ambient temperature less than 100 ° C, typically around 150 ° C
  • Another object of the invention is a method of manufacturing an electric collector motor, typically a direct current motor, which comprises a) the production of a frame on which an inductor is fixed,
  • sliding electrical contacts which include particles of copper, whose weight proportion is between 20% and 60%, particles of graphoids, resulting from the grinding of a mixture of particles of graphites and organic binders, and also particles comprising, in the form of a metal or a compound of said metal, a metal belonging to the group consisting of the following elements: zinc, manganese and tin.
  • FIG. 1 a illustrates a micrograph of a brush made of a material outside the invention which has operated at 150 ° C. for 620 hours: copper particles ⁇ pp ⁇ r ⁇ issent strongly oxidized.
  • Figure 1b shows schematically the ranges observed on the micrograph of Figure la.
  • FIG. 2a illustrates a micrograph of a brush made of a material similar to the material of FIG. 1 but to which particles of an additional metal according to the invention have been added.
  • Figure 2b shows schematically the ranges observed on the micrograph of Figure 2a.
  • the brush also operated at 150 ° C for 620 hours: the copper particles do not appear to be particularly oxidized.
  • FIG. 3 illustrates, by grouping together the results of the measurements on the same graph, the evolution over time of the electrical resistivity AG of several brush materials.
  • EXAMPLE 1 Observation of the oxidation of copper on two shades, one without zinc, the other with 2% zinc carbonate ( Figures 1 and 2)
  • Figures 1 and 2 We produced a powder (shade XI) containing o 34% of copper by weight (mixture of low apparent density electrolytic copper and pounded copper), o 2% zinc carbonate, o 2% molybdenum disulphide MoS2, o 0.4% abrasive (mixture of coke and silicon carbide ) o and 61.6% graphoid.
  • the graphoid is a premix. It includes 86% natural graphite, 5% MoS2 and 9% bakelite resin.
  • grade X2 With the same components as those mentioned above, present with the same amounts in the mixture, with the exception of zinc carbonate.
  • This shade X2 corresponds to the shade usually proposed by the applicant for motorized fan motors before the present invention.
  • the shade Yl. contains 48% copper and 0% zinc.
  • the Y2 grade contains 52% copper and 3% zinc carbonate.
  • the Y3 grade contains 48% copper and 1% zinc carbonate.
  • the AG resistivity of the grade Yl which does not contain zinc, increases very quickly over time: it exceeds 10,000 ⁇ cm after 500 hours of operation at 155 ° C.
  • the resistivity of grade Y3, which contains 1% zinc carbonate changes less rapidly.
  • certain samples Y3.1 for example
  • see their resistivity evolving too quickly so that it is not possible to guarantee that the resistivity of this grade will not exceed 10,000 ⁇ cm after 2000 hours at 150 ° C.
  • the resistivity of grade Y2, which contains 3% zinc carbonate is clearly more stable over time, which allows it not to exceed 10,000 ⁇ cm after 2000 hours at 150 ° C.

Landscapes

  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)
  • Plural Heterocyclic Compounds (AREA)
  • Two-Way Televisions, Distribution Of Moving Picture Or The Like (AREA)
  • Protection Of Generators And Motors (AREA)

Description

BALAIS POUR MOTEURS ELECTRIQUES FONCTIONNANT A HAUTE TEMPERATURE
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne les balais pour moteurs électriques, plus particulièrement ceux utilisés pour faire fonctionner les équipements montés à bord des automobiles (motoventilateurs (ventilateurs autonomes fixés directement sur le radiateur) et autres ventilateurs, alternateurs, moteurs auxiliaires, etc.), pour lesquels un rendement élevé est recherché.
ETAT DE LA TECHNIQUE
De tels moteurs électriques fonctionnent sous basse tension avec un courant élevé. En raison de ce courant élevé, les balais équipant ces moteurs doivent assurer un contact électrique frottant à température élevée, typiquement supérieure à 100°C, voire supérieure à 200°C, avec une densité de courant supérieure à 15 A/cm2. Les moteurs électriques embarqués concernés par l'invention ont des conditions de fonctionnement totalement différentes de celles des démarreurs.
Les démarreurs, non concernés par l'invention, sont appelés à fonctionner une centaine de milliers de fois pendant quelques millisecondes sous des densités de courant supérieures à 500 A/cm2. La demande US2003/0135993 décrit des balais adaptés pour de telles conditions de fonctionnement. Ils sont certes soumis à des sollicitations violentes mais ils travaillent très peu en temps cumulé et de ce fait s'échauffent peu pendant la courte période où ils travaillent.
Au contraire, des moteurs tels que les motoventilateurs, placés sous les capots des véhicules, soumis à des températures de plus en plus élevées, travaillent continûment, c'est-à-dire tant que le moteur thermique fonctionne. Ils travaillent sous des densités de courant plus faibles, typiquement inférieures à 50 A/cm2, mais ils sont soumis à un échauffement par effet Joule et doivent fonctionner à des températures élevées, supérieures à 100°C, voire supérieures à 200°C pendant la durée de vie de fonctionnement d'un véhicule automobile, à savoir plusieurs milliers d'heures, typiquement plus de 2000 heures.
Les conditions de fonctionnement de plus en plus sévères imposées à ces balais exigent une adaptation de ces derniers non seulement pour résister aux nouvelles sollicitations mais aussi pour augmenter leur durée de vie.
Les balais pour moteurs électriques d'équipements montés à bord des automobiles (motoventilateurs, alternateurs, ventilateurs ...) sont en général constitués d'un mélange de particules de cuivre et de particules de graphoïdes.
Les particules de cuivre peuvent provenir d'origines diverses : cuivre électrolytique (cuivre obtenu par dépôt électrolytique sur une cathode, l'anode étant en cuivre pur, l'electrolyte étant typiquement un mélange sulfate de cuivre, acide sulfurique et additifs), cuivre atomisé (cuivre fondu dispersé sous forme de fines gouttelettes sous l'effet d'un jet violent gazeux ou liquide) ou cuivre pilonné (cuivre atomisé broyé se présentant sous la forme de fines lamelles).
Les graphoïdes comportent divers graphites, en général des graphites naturels, et des liants organiques. Le mélange ainsi constitué est traité à chaud puis broyé pour obtenir les particules de graphoïdes. A ces bases (particules de cuivre + graphoïdes), on rajoute des abrasifs en général conducteurs, typiquement des carbures - par exemple du carbure de silicium, ou des cokes, et des lubrifiants solides, typiquement du bisulfure de molydène (MoS2). La nature et la teneur pondérale de chacun de ces constituants est ajustée en fonction de l'application visée. Le matériau résultant du mélange a en général une résistivité électrique qui ne doit pas se dégrader 5 dans le temps afin de ne pas perdre le rendement attendu de tels moteurs électriques.
Or, lorsque le moteur fonctionne à des températures élevées, par exemple dans les motoventilateurs, où la température ambiante est souvent supérieure JO à 100°C au cours de son fonctionnement, le balai est porté à des températures pouvant atteindre, voire dépasser 200°C, et l'on observe une forte augmentation de la résistivité du matériau et une oxydation prononcée du cuivre. Ces phénomènes probablement corrélés peuvent provoquer une usure accélérée du balai et des pertes de rendement ou de vitesse du moteur.
J5
PROBLEME POSE
La demanderesse a donc cherché à développer une méthode permettant 20 d'obtenir un matériau de balai pour moteur électrique qui présente une résistance à l'usure améliorée lorsque le moteur fonctionne à une température supérieure à 100°C, typiquement voisine de 150°C, tout en permettant audit moteur de présenter une performance sensiblement constante tout au long de sa durée de vie. La durée de fonctionnement cumulée des moteurs concernés 25 peut aller de quelques heures (lève-vitres, essuie-glaces) à plus de 2000 heures (motoventilateurs).
OBJET DE L'INVENTION
30 Un premier objet de l'invention est une pièce de contact glissant transmettant un courant électrique de densité élevée, typiquement supérieure à 15 A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2, comprenant des particules de cuivre, des particules de graphoïdes, issues du broyage d'un mélange de particules de graphite, de préférence du graphite naturel, et de liants organiques, caractérisée en ce que, pour transmettre ledit courant pendant au moins 2000 heures à une température supérieure à 100°C, typiquement voisine de 150°C, ladite pièce de contact comporte des particules de cuivre dont le pourcentage pondéral est compris entre 20% et 60% et également des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal additionnel appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain.
La pièce de contact glissant apte à transmettre un courant électrique est un élément frottant conducteur de courant, tel qu'un balai pour moteur électrique. La densité de courant transmise à travers le contact peut être supérieure à 15 A/cm2. L' application envisagée correspond aux petits moteurs électriques embarqués dans une automobile tels que les motoventilateurs, les ventilateurs, les alternateurs, etc.. qui fonctionnent avec un courant dont l'intensité, typiquement inférieure à 50 A/cm2, est inférieure à celle qui est nécessaire pour faire fonctionner un démarreur, typiquement supérieure à 100 A/cm2. Toutefois, la valeur moyenne de la densité du courant qui alimente ces moteurs augmente sans cesse pour satisfaire aux exigences croissantes de puissance, celle-ci ayant été jusqu'à présent inférieure au kilowatt. De tels moteurs doivent être alimentés sans interruption, ce qui se traduit par une température de fonctionnement de plus en plus élevée.
Typiquement, les conditions utilisées pour tester l'endurance des matériaux constitutifs de balais pour moteurs électriques sont les suivantes: le balai doit transmettre pendant 2000 heures une densité de courant de 25 A/cm2, la température ambiante dans le moteur étant voisine de 150°C. Selon l'invention, on choisit de préférence une teneur pondérale en cuivre assez élevée, typiquement de l'ordre de 30%, comprise entre 20% et 60%, de préférence entre 20% et 30%. Le matériau résultant du mélange a en général une résistivité électrique faible (résistivité AG ou "against grain", c'est-à-dire dans la direction perpendiculaire à la plus grande dimension des grains), toutefois supérieure à 200 μΩcm (2 10"6 Ωm) mais devant rester typiquement inférieure à 10000 μΩcm (10"4 Ωm), de préférence inférieure à 5000 μΩcm (5 10-5 Ωm), après 2000 h d'utilisation à 150 °C.
Les particules de cuivre peuvent être obtenues par mélange de particules d'origines diverses (cuivre électrolytique, cuivre atomisé, cuivre pilonné) et qui présentent une densité apparente typiquement comprise entre 0,3 g/cm3 et 4 g/cm3. De préférence, on emploie du cuivre électrolytique, de densité apparente comprise entre 0,6 et 0,9 g/cm3 ou un mélange de particules de cuivre électrolytique (65% à 100% en poids) et de cuivre pilonné (densité apparente comprise entre 0,9 et 1 ,2 g/cm3) (0% à 35% en poids).
Les graphoïdes comportent de préférence des graphites naturels, et des liants organiques, de préférence de type phénolique ou à base de polyamides ou encore de polyethylène téréphtalate. Le lubrifiant solide, typiquement du bisulfure de molybdène peut être inclus dans la composition du graphoïde.
On ajoute au mélange cuivre + graphoïde un abrasif conducteur, de préférence un mélange de coke et de carbure de silicium et un métal additionnel appartenant au groupe constitué des métaux et alliages à base de zinc, de manganèse ou d'étain.
Ledit métal additionnel est ajouté dans le matériau sous forme de particules métalliques ou sous la forme d'un composé dudit métal, de préférence instable à la température de cuisson du mélange. Ainsi on choisira de préférence pour le zinc un oxyde, un carbonate ou un sulfate. La teneur pondérale en ce dit métal additionnel est avantageusement comprise entre 0,1 % et 20%, de préférence entre 0,5 et 10%. La demanderesse a en effet constaté que, de par sa présence, ledit métal additionnel permettait, par limitation de l'oxydation du cuivre, de ralentir la dégradation du balai.
Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une pièce de contact glissant apte à transmettre un courant électrique de densité élevée, typiquement supérieure à 15 A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2, comprenant des particules de cuivre et des particules de graphoïde, issues du broyage d'un mélange de particules de graphites et de liants organiques, caractérisé en ce que: a) on effectue un mélange de particules de cuivre, de particules de graphoïde et de particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal additionnel appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain, le pourcentage pondéral des particules de cuivre étant compris entre 20% et 60%, le pourcentage pondéral des particules de graphoïde étant compris entre 45 % et 75 %, et le pourcentage pondéral du métal additionnel ou de son composé étant compris entre 0,5% et 20 %. b) les particules ainsi mélangées sont portées à une température de cuisson comprise entre 250°C et 700°C, de préférence entre 250°C et 450°C, typiquement à une température voisine de 400 °C, pendant une durée comprise entre 0,5 et 10 heures, typiquement voisine de 4 heures, sous une atmosphère gazeuse réductrice, comprenant entre 5% et 50% d'hydrogène, le complément étant de l'azote ou un gaz neutre, typiquement un mélange comprenant 40% d'hydrogène et 60% d'azote.
Le graphoïde résulte lui-même du mélange de graphite, de préférence naturel, de liant organique, de préférence phénolique, typiquement une résine bakélite, et de lubrifiant solide, typiquement du bisulfure de molybdène, l'ensemble ayant été mélangé de préférence par malaxage en milieu humide, le solvant étant ensuite évaporé et la poudre broyée et tamisée pour obtenir une granulométrie correspondant à un passant inférieur à 630 μm, de préférence compris entre 90 et 355 μm.
On peut également ajouter au mélange avant cuisson un abrasif conducteur tel qu'un mélange de carbure de silicium et de coke, en proportion pondérale comprise typiquement entre 0,05% et 1 %.
Le mélange ainsi obtenu est porté à une température de cuisson comprise entre 250 °C et 700°C, de préférence entre 250°C et 450°C, typiquement, à une dizaine de degrés près, à une température voisine de 400 °C, pendant une durée comprise entre 0,5 et 10 heures, typiquement voisine de 4 heures, sous une atmosphère gazeuse réductrice, comprenant entre 5% et 50% d'hydrogène et le complément en azote ou en gaz neutre, typiquement un mélange à 40% d'hydrogène et à 60% d'azote.
Un autre objet de l'invention est l'utilisation d'une pièce de contact glissant comprenant des particules de cuivre, des particules de graphoïdes, le pourcentage pondéral des particules de cuivre étant compris entre 20% et 60%, ladite pièce de contact comportant également des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal additionnel appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain, caractérisée en ce que la dite pièce est utilisée comme balai d'un moteur électrique à courant continu équipant un véhicule automobile - tel qu'un motoventilateur, un moteur de lève-vitre, un moteur d'essuie-glace ou un alternateur - et fonctionnant sous une tension électrique inférieure ou égale à 60 volts, ladite pièce transmettant un courant électrique de densité supérieure à 15 A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2 et étant apte à transmettre ledit courant pendant 2000 heures à une température ambiante supérieure à 100°C, typiquement voisine de 150°C Un autre objet de l'invention est procédé de fabrication d'un moteur électrique à collecteur, typiquement un moteur à courant continu, qui comporte a) la réalisation d'un bâti sur lequel est fixé un inducteur, b) la réalisation d'un induit solidaire d'un collecteur tournant autour d'un axe, l'induit comportant des fils conducteurs reliés aux lames dudit collecteur c) l'assemblage de l'inducteur et de l'induit et d) la fixation sur un élément solidaire du bâti de contacts électriques glissants, aptes à être connectés à une source d'alimentation électrique sous une tension inférieure ou égale à 60 volts, les contacts électriques glissants étant, pour connecter électriquement les bobinages de l'induit, plaqués sur la surface du collecteur, de sorte que, pendant la rotation du rotor, ils sont mis en contact successivement avec chacune des lames du collecteur, caractérisé en ce que, pour que ledit moteur fonctionne pendant au moins
2000 heures avec une température ambiante supérieure à 100°C, typiquement voisine de 150°C, et avec une densité de courant comprise entre 15 A/cm2 et 50 A/cm2, on utilise des contacts électriques glissants qui comprennent des particules de cuivre, dont la proportion pondérale est comprise entre 20% et 60%, des particules de graphoïdes, issues du broyage d'un mélange de particules de graphites et de liants organiques, et également des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain.
Les exemples donnés ci-après présentent quelques nuances élaborées dans le cadre de l'invention et illustrent l'aptitude des balais obtenus à partir de ces nuances à mieux résister à l'usure et à l'oxydation.
FIGURES La figure 1 a illustre une micrographie d'un balai en un matériau hors invention qui a fonctionné à 150 °C pendant 620 heures: les particules de cuivre αppαrαissent fortement oxydées. La figure 1 b schématise les plages observées sur la micrographie de la figure la.
La figure 2a illustre une micrographie d'un balai en un matériau semblable au matériau de la figure 1 mais auquel on a rajouté des particules d'un métal additionnel selon l'invention. La figure 2b schématise les plages observées sur la micrographie de la figure 2a. Le balai a fonctionné également à 150 °C pendant 620 heures: les particules de cuivre n'apparaissent pas particulièrement oxydées.
La figure 3 illustre, en regroupant les résultats des mesures sur un même graphique, l'évolution au cours du temps de la résistivité électrique AG de plusieurs matériaux de balai. EXEMPLES
EXEMPLE 1 : Observation de l'oxydation du cuivre sur deux nuances, l'une sans zinc, l'autre avec 2% de carbonate de zinc (Figures 1 et 2) Nous avons produit une poudre (nuance XI ) contenant o 34 % de cuivre en poids (mélange de cuivre électrolytique à faible densité apparente et de cuivre pilonné), o 2% de carbonate de zinc, o 2% de bisulfure de molybdène MoS2, o 0.4% d'abrasif (mélange de coke et de carbure de silicium) o et 61 ,6% de graphoïde. Le graphoïde constitue un pré-mélangeage. Il comprend 86% de graphite naturel, 5% de MoS2 et 9% de résine bakélite. Après malaxage en milieu humide, le solvant est évaporé et la poudre broyée et tamisée afin d'avoir une granulométrie comprise entre 90 et 355μm. Pour pouvoir comparer avec une nuance hors invention, nous avons élaboré la nuance X2 avec les mêmes composants que ceux cités ci-dessus, présents avec les mêmes quantités dans le mélange, à l'exception du carbonate de zinc. Cette nuance X2 correspond à la nuance habituellement proposée par la demanderesse pour des moteurs de motoventilateurs avant la présente invention.
Des balais ont ensuite été réalisés dans les deux nuances XI et X2, cuits à 400°C sous 40% de H2 et 60% de N2.
Deux séries de balais (nuance XI et nuance X2) ont alors subi un test d'endurance à 150°C, sous 25A/cm2, pendant 620h. Deux micrographies représentatives ont été prélevées sur chacun des lots. Elles sont illustrées par les figures l a et 2a. On peut voir des plages 10 et 10' occupées par des particules de cuivre plus ou moins oxydé et des plages 20 occupées par des particules de graphoïdes, elles-mêmes comprenant des particules de graphite et des liants. Lorsqu'il n'est pas oxydé, le cuivre se présente sous forme de plages 10' nettement plus claires que les plages 20 de graphoïdes, alors que les plages 10 de cuivre oxydé présentent peu de contraste par rapport aux plages 20 de graphoïdes. On voit donc clairement la différence entre le fort degré d'oxydation du cuivre de la nuance X2 (plages 10 - figure l a ) et le faible degré d'oxydation du cuivre de la nuance XI (plages 10' - figure 2a ).
EXEMPLE 2 : Mesure de la résistivité de balais en diverses nuances maintenus en étuve sous 155°C et 25 A/cm2 (Figure 3)
La nuance Yl. contient 48% de cuivre et 0% de zinc . La nuance Y2 contient 52% de cuivre et 3% de carbonate de zinc. La nuance Y3 contient 48% de cuivre et 1 % de carbonate de zinc. Plusieurs échantillons relatifs à chaque nuance ont fait l'objet de mesures de résistivité au cours du temps.
On remarque sur la figure 3 l'influence de l'ajout de zinc sous sa forme de carbonate sur le maintien d'une résistivité constante lors de la durée de vie du balai.
La résistivité AG de la nuance Yl , qui ne contient pas de zinc, augmente très rapidement dans le temps: elle dépasse 10000 μΩcm après 500 heures de fonctionnement à 155°C.
Suivant les échantillons, la résistivité de la nuance Y3, qui contient 1 % de carbonate de zinc, évolue moins rapidement. Nous sommes à la limite des caractéristiques recherchées dans le cadre de l'invention car certains échantillons (Y3.1 par exemple) voient leur résistivité évoluer trop rapidement, de telle sorte qu'il n'est pas possible de garantir que la résistivité de cette nuance ne va pas dépasser 10000 μΩcm après 2000 heures à 150°C. La résistivité de la nuance Y2, qui contient 3% de carbonate de zinc, est nettement plus stable dans le temps, ce qui lui permet de ne pas dépasser 10000 μΩcm au bout de 2000 heures à 150°C.
Nous avons ensuite élaboré une nuance Y4, qui contient 50 % de cuivre et 2% de carbonate de zinc et nous avons fait des mesures sur des balais réalisés dans cette nuance. Les essais ont donné des résultats conformes aux attentes.

Claims

REVENDICATIONS ) Pièce de contact glissant transmettant un courant électrique de densité comprise entre 15 A/cm2 et 50 A/cm2, comprenant des particules de cuivre, des particules de graphoïdes, issues du broyage d'un mélange de particules de graphite, de préférence du graphite naturel, et de liants organiques, caractérisée en ce que, pour transmettre ledit courant pendant au moins 2000 heures à une température supérieure à 100°C, typiquement voisine de 150°C, ladite pièce de contact comporte des particules de cuivre dont le pourcentage pondéral est compris entre 20% et 60% et également des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal additionnel appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain.
2) Pièce de contact glissant selon la revendication 1 dans laquelle le pourcentage pondéral des particules de cuivre est compris entre 20% et 30%.
3) Pièce de contact glissant selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle les particules de cuivre sont des particules de cuivre électrolytique ou un mélange de cuivre électrolytique (100% à 65% en poids) et de cuivre pilonné (0% à 35% en poids).
4) Pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle les particules de graphoïde proviennent du mélange de graphites naturels et de liants organiques, typiquement phénoliques ou à base de polyamides ou encore de polyethylène téréphtalate.
5) Pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 comprenant également des particules d'abrasif conducteur, typiquement un mélange de coke et de carbure de silicium. 6) Pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans laquelle ledit métal additionnel est présent dans la composition avec une concentration pondérale comprise entre 0,5 et 20%, de préférence 5 entre 1 et 10 %.
7) Pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans laquelle ledit métal additionnel est le zinc, présent dans la composition sous forme de particules de métal, d'oxyde de zinc, deO carbonate de zinc ou de sulfate de zinc.
8) Pièce de contact glissant selon la revendication 7 dans laquelle ledit zinc est présent sous forme de carbonate de zinc avec une concentration pondérale comprise entre 2 et 10 %.
Ï5 9) Pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisée en ce qu'elle est un balai de moteur électrique fonctionnant sous une tension inférieure ou égale à 60 volts pendant au moins 2000 heures avec une température ambiante supérieure à 100°C, typiquement 20 voisine de 150°C, sa résistivité électrique AG restant comprise entre 200 μΩcm et 10000 μΩcm (entre 2 10"ά Ωm et 10"4 Ωm ) pendant 2000 heures à une température de 150°C.
10) Procédé de fabrication d'une pièce de contact glissant apte à transmettre 25 un courant électrique de densité élevée, typiquement supérieure à 15 A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2, comprenant des particules de cuivre et des particules de graphoïde, issues du broyage d'un mélange de particules de graphites et de liants organiques, caractérisé en ce que: a) on effectue un mélange de particules de cuivre, de particules de graphoïde
30 et de particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain, le pourcentage pondéral des particules de cuivre étant compris entre 20% et 60%, le pourcentage pondéral des particules de graphoïde étant compris entre 45 % et 75 %, et le pourcentage pondéral du métal additionnel ou de son composé étant compris entre 0,5% et 20 %. b) les particules ainsi mélangées sont portées à une température de cuisson comprise entre 250°C et 450°C, typiquement voisine de 400 °C, pendant une durée comprise entre 0,5 et 10 heures, typiquement voisine de 4 heures, sous une atmosphère gazeuse réductrice, comprenant entre 5% et 50% d'hydrogène, le complément étant de l'azote ou un gaz neutre, typiquement un mélange comprenant 40% d'hydrogène et 60% d'azote.
1 1 ) Procédé de fabrication d'une pièce de contact glissant selon la revendication 10, dans lequel ledit métal additionnel est ajouté dans le matériau sous forme de particules métalliques ou sous la forme d'un composé dudit métal, de préférence instable à la température de cuisson du mélange.
12) Procédé de fabrication d'une pièce de contact glissant selon la revendication 10 ou 1 1 , dans lequel ledit graphoïde résulte du mélange de graphites, de préférence naturels, de liant organique, de préférence phénolique, typiquement une résine bakélite, et de lubrifiant solide, typiquement du bisulfure de molybdène, l'ensemble ayant été mélangé de préférence par malaxage en milieu humide, le solvant étant évaporé et la poudre broyée et tamisée de façon à obtenir un passant inférieur à 630 μm, de préférence compris entre 90 et 355 μm.
13) Procédé de fabrication d'une pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, dans lequel on ajoute au mélange avant cuisson un abrasif conducteur tel qu'un mélange de carbure de silicium et de coke, en proportion pondérale comprise typiquement entre 0,05% et 1 %.
14) Procédé de fabrication d'un moteur électrique à collecteur, typiquement 5 un moteur à courant continu, qui comporte: a) la réalisation d'un bâti sur lequel est fixé un inducteur, b) la réalisation d'un induit solidaire d'un collecteur tournant autour d'un axe, l'induit comportant des fils conducteurs reliés aux lames dudit collecteur c) l'assemblage de l'inducteur et de l'induit et
JO d) la fixation, sur un élément solidaire du bâti, de contacts électriques glissants, aptes à être connectés à une source d'alimentation électrique sous une tension inférieure ou égale à 60 volts, les contacts électriques glissants étant maintenus plaqués sur la surface du collecteur, de sorte que, pendant la rotation du rotor, ils sont mis en contact successivement !5 avec chacune des lames du collecteur, caractérisé en ce que, pour que ledit moteur fonctionne pendant au moins 2000 heures avec une température ambiante supérieure à 100°C, typiquement voisine de 150°C, et avec une densité de courant comprise entre 15 A/cm2 et 50 A/cm2, on utilise des contacts électriques glissants qui 20 comprennent des particules de cuivre, dont la proportion pondérale est comprise entre 20% et 60%, des particules de graphoïdes, issues du broyage d'un mélange de particules de graphites et de liants organiques, et également des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal appartenant au groupe constitué des 25 éléments suivants: zinc, manganèse et étain.
15) Utilisation d'une pièce de contact glissant comprenant des particules de cuivre, des particules de graphoïdes, le pourcentage pondéral des particules de cuivre étant compris entre 20% et 60%, ladite pièce de
30 contact comportant également des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal additionnel appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain, caractérisée en ce que la dite pièce est utilisée comme balai d'un moteur électrique à courant continu fonctionnant sous une tension électrique inférieure ou égale à 60 volts, ladite pièce transmettant un courant électrique de densité supérieure à 15 A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2 et étant apte à transmettre ledit courant pendant 2000 heures à une température ambiante supérieure à 100°C, typiquement voisine de 150°C.
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