FR2948502A1

FR2948502A1 - Contact electrique glissant

Info

Publication number: FR2948502A1
Application number: FR0955149A
Authority: FR
Inventors: Laurent Cebulski
Original assignee: Carbone Lorraine Applications Electriques
Current assignee: Carbone Lorraine Applications Electriques
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2011-01-28
Anticipated expiration: 2029-07-23
Also published as: FR2948502B1

Abstract

L'invention concerne un contact électrique glissant apte à assurer un contact électrique entre deux pièces dont l'une au moins est en mouvement par rapport à l'autre, le contact électrique glissant comprenant au moins une mousse de métal avec des cellules ouvertes. L'invention concerne également les utilisations potentielles d'un tel contact électrique glissant.

Description

i Contact électrique glissant La présente invention concerne un contact électrique glissant apte à assurer un contact électrique entre deux pièces en mouvement l'une par rapport à l'autre.

L'invention est particulièrement adaptée aux bandes de captage de courant, aux patins de troisième rail ou encore aux bagues pour baguier ou collecteur tournant. Actuellement, la plupart des machines électriques nécessitent une pièce d'interface entre une pièce en mouvement et une pièce fixe, qui soit à la fois conductrice de courant électrique et de chaleur et disposant de propriétés permettant de limiter l'usure électromécanique en fonctionnement. La pièce d'interface aujourd'hui utilisée est par exemple à base de carbone ou de métal tel que du cuivre ou encore de carbone imprégné de cuivre. Le cuivre présente notamment l'avantage d'être très bon conducteur de courant, limitant ainsi fortement les pertes électriques entre les deux pièces en mouvement mais présentant une faible résistance à l'abrasion provoquant une usure rapide de la pièce d'interface. Le carbone, qu'il soit ou non sous forme de graphite, présente l'avantage de limiter l'usure mécanique notamment de par sa propriété de lubrifiant naturel. Les nuances de carbone utilisées présentent également une bonne résistance à l'abrasion par arc électrique.

Cependant le carbone est un conducteur assez moyen générant des pertes électriques au contact relativement élevées et donc un échauffement élevé pour les fortes intensités. Ces contacts électriques glissants se trouvent notamment dans diverses applications tels que les balais dans le cas d'une connexion avec un collecteur tournant ou un baguier, les bandes de captage de courant montées sur les têtes de pantographe et en contact avec les fils de caténaire, les patins de troisième rail dans le cas du captage de courant ferroviaire au sol ou encore les bagues pour baguiers de puissance utilisés par exemple dans les éoliennes.

A ce jour, ces contacts électriques glissants présentent naturellement un compromis entre une masse conséquente ainsi qu'une conductivité limitée et/ou une faible résistance mécanique, notamment résistance aux chocs, aux vibrations et aux frottements. L'invention a pour objectif de fournir un contact glissant électrique dont on a considérablement réduit le poids et dont la conductivité électrique et les propriétés mécaniques sont élevées sans avoir à chercher le compromis masse/résistance mécanique/ conductivité. De manière surprenante, la Demanderesse a en effet découvert qu'un contact électrique glissant comprenant au moins une mousse de métal à cellules ouvertes présentait une bonne résistance à l'usure tout en assurant un contact électrique entre deux pièces dont au moins une est en mouvement, relatif ou absolu. Selon un premier aspect de l'invention, il s'agit d'un contact électrique glissant apte à assurer un contact électrique entre deux pièces dont l'une au moins est en mouvement par rapport à l'autre, le contact électrique glissant comprenant au moins une mousse de métal formée de cellules ouvertes. L'utilisation de cette mousse permet notamment de réduire le poids du contact électrique glissant de 10 à 70% selon le type de matériau utilisé. Par mousse à cellules ouvertes, on entend une mousse dont les cellules sont au moins en partie ouvertes et communiquent les unes avec les autres permettant la circulation d'un fluide. Une mousse à cellules ouvertes peut être obtenue par fonderie ( bullage dans un métal en fusion) ou moussage d'agent moussant avec poudre de métal, ou encore infiltration par métal fondu dans une préforme de sel, dans un polymère ou par dépôt électrolytique. La porosité obtenue, soit le ratio volumique de vide, est évaluée par comparaison à la densité du métal concerné.

Avantageusement, au moins un constituant de la mousse de métal est choisi parmi : le cuivre, le laiton, le bronze et/ou le nickel, ou tout autre métal ou alliage de métaux assurant une conduction électrique suffisante entre les deux pièces en mouvement. Selon un premier mode de réalisation, les cellules ouvertes de la mousse de métal sont remplies au moins en partie d'au moins un matériau de remplissage. Avantageusement, le taux de remplissage est de 50 à 100%, en fonction du retrait lors des phases de polymérisation et de carbonisation selon le mode de réalisation choisi. L'évaluation de la masse de la mousse se fait par pesée. L'évaluation du volume est réalisée par mesure géométrique et ratio ou par évaluation en deux temps, pesée dans l'air/dans l'eau, à l'aide d'une balance d'Archimède. Avantageusement, le matériau de remplissage est un polymère que l'on pourra ensuite éventuellement carboniser pour augmenter sa tenue en température et augmenter ses propriétés de transfert.

En particulier, au moins un matériau de remplissage est résistant à l'abrasion et/ou aux chocs. La résistance à l'abrasion permet notamment de réduire l'usure de la pièce d'interface qui subit un frottement répété. La résistance aux chocs permet notamment d'éviter la rupture de la pièce d'interface lors de secousses. La résistance à l'abrasion et/ ou aux chocs permet notamment d'éviter un changement fréquent de la pièce d'interface. Avantageusement, le matériau de remplissage est choisi parmi au moins un des produits suivants : phénolique, époxy, polyuréthane, téflon, polyoxyméthylène, polyacétale ou tout autre polymère existant en fonction des propriétés souhaitées. En particulier, le matériau de remplissage comprend un ajout de charges de granulométrie adaptée. Avantageusement, ces charges sont à base de sulfates, de fluorures, de graphite, d'oxydes, de tellure ou toute autre charge existante dont les quantités et la granulométrie seront adaptées par l'homme du métier en fonction des propriétés souhaitées. En particulier, le matériau de remplissage comprend un additif ayant des propriétés ignifugeantes. Avantageusement, l'additif ayant des propriétés ignifugeantes est à base de phosphates et/ou de sels de zinc et/ou d'antimoine. Un contact électrique glissant tel que décrit précédemment pourra par exemple être fabriqué par un procédé comprenant les étapes suivantes : - La fabrication d'une plaque de mousse de métal à cellules ouvertes ; - Le remplissage des cellules de la mousse et la transformation du matériau de remplissage dans les cellules ; - L'usinage de la plaque de mousse métallique aux dimensions souhaitées ; - Le cas échéant, l'imprégnation et/ ou la polymérisation de la plaque de mousse usinée; - La mise en place de fixations sur la plaque. Ces mousses peuvent notamment être fabriquées par divers procédés tel que par fonderie, par métallurgie des poudres, par une voie hybride utilisant les deux procédés mentionnés ci avant, par frittage laser, par dépôt électrolytique, ou encore par méthode de coulée avec préforme de sel et/ou de polymère. Le procédé de fabrication de la mousse par fonderie consiste à former de la mousse par bouillonnement en injectant un gaz inerte au-dessous de la surface d'un mélange de métal liquide et de particules de carbure de silicium (SiC), de graphite artificiel ou de tout autre élément permettant d'augmenter les tensions superficielles. Les bulles remontent alors vers la surface mais n'éclatent pas, formant des cellules. Une écume stable se forme et il suffit de venir ramasser cette écume à la surface, de la mettre en forme de brame avant de la refroidir sur un convoyeur pour obtenir des semi-produits de mousse.

La taille des cellules, et donc la densité de la mousse, est contrôlée en ajustant le débit de gaz injecté. Le principal avantage de cette technique est, d'un point de vue du coût, son caractère continu. Le principe de fabrication de la mousse par métallurgie des poudres consiste à mélanger tout d'abord un agent moussant (en général de l'hydrure de titane - TiH2) avec du métal sous forme pulvérulente puis de consolider l'ensemble en produit semi-fini en lui faisant subir une compaction ou une co-extrusion à froid. Ce produit semi-fini peut être mis en forme au moyen des procédés classiques de mise en forme à froid. Le processus de moussage s'active en chauffant l'ensemble au dessus du solidus, par décomposition de l'agent moussant à haute température et dégagement gazeux. Cette réaction produit une mousse liée au moule qui est en général constitué d'une feuille de métal. Cette méthode permet ainsi d'obtenir des mousses directement aux formes souhaitées. L'expansion de la mousse sur une bande de carbone par dépôt électrolytique est également possible. Pour les applications décrites (balais, bande de captage, patin de troisième rail et baguier), le procédé d'élaboration par la méthode de métallurgie des poudres peut consister en l'expansion de la mousse dans un moule contenant une bande de carbone (avec dépôt de cuivre électrolytique en surface) et une feuille de cuivre au fond (et éventuellement au bord), conférant ainsi une très bonne cohésion entre la mousse, le bande de carbone et les feuilles de cuivre. Le principe de fabrication de la mousse par le procédé hybride consiste à mélanger de la poudre de TiH2 (généralement) avec du métal proche de l'eutectique et sous forme solide / liquide. Sous l'action de la chaleur, l'agent moussant se dissocie et provoque la croissance des porosités. Afin de contrôler la croissance des cellules, une surpression d'hydrogène est appliquée au dessus du mélange. Cette méthode permet d'obtenir des structures assez performantes car il est possible de bien contrôler la sphéricité et la taille des cellules. D'autre part le produit obtenu prend la forme du récipient dans lequel il est préparé.

On peut noter que le titane, issu de l'agent moussant, ainsi que le calcium, se retrouvent dans le métal constituant les parois à l'issue du processus de moussage. Le remplissage de la mousse se fait par injection et/ou imprégnation en fonction des matériaux et propriétés souhaitées.

La mise en place des fixations peut consister en un perçage et vissage de la plaque, en la pose de points de colles sur la plaque, ou par la mise en place de moyens de fixation directement sur la plaque ou d'un support de fixations, adaptés à maintenir la plaque sur un élément support.

Le procédé tel que décrit ci-dessus peut comprendre une étape d'ajout de charges de granulométrie adaptée. Cet ajout permet d'améliorer les caractéristiques apportées par les matériaux de remplissage, voire d'apporter d'autres caractéristiques comme par exemple augmenter la résistance à l'abrasion.

De nombreuses combinaisons sont possibles pour répondre aux diverses fonctions souhaitées. On pourra utiliser une mousse de métal de type cellules ouvertes, dont le taux de porosité peut varier de 5 à 70 % en volume, et éventuellement y ajouter divers éléments de remplissage, ainsi que des charges.

Le contact électrique glissant tel que décrit précédemment est notamment utilisé comme bande de captage de courant. La bande de captage de courant est un élément assurant le captage du courant de la caténaire vers une locomotive, via notamment un pantographe. Le contact électrique glissant tel que décrit précédemment peut également être utilisé en tant que patin de rail électrifié. Les patins de rail électrifié, encore appelé patin de troisième rail, assurent par exemple la captation de courant des rames de métro, en frottant sur un rail électrifié appelé généralement troisième rail. Le contact électrique glissant tel que décrit précédemment peut aussi être utilisé comme bague pour baguier ou collecteur tournant. Le baguier est notamment utilisé dans les éoliennes pour faire transiter le courant généré. Le contact électrique glissant tel que décrit précédemment peut aussi être utilisé comme balai moteur. Le balai moteur est un frotteur conducteur de courant dont le rôle est de transférer du courant entre la partie tournante d'une machine et son circuit extérieur fixe, d'alimentation ou d'utilisation en fonction de son utilisation en tant que moteur ou alternateur. A titre d'exemple non limitatif nous allons maintenant décrire plus en détail un procédé de fabrication d'un contact électrique glissant et plus particulièrement une bande de captage de courant. Dans une première étape on fabrique une plaque de mousse métallique à base de cuivre à cellules ouvertes selon l'un quelconque des procédés de réalisation décrit plus avant et qui sont bien connus de l'homme du métier.

Dans un second temps, on procède au remplissage des cellules ouvertes de la mousse par une résine époxy afin de lui conférer une résistance mécanique. Cette étape est complétée par un ajout de charge de carbone destinée à augmenter la résistance à l'abrasion de l'ensemble.

La mousse ainsi obtenue est alors découpée aux dimensions voulues, notamment adaptées pour réaliser la bande de captage de courant. Selon un mode de réalisation particulier, il est possible de superposer horizontalement plusieurs couches de mousse ainsi réalisée, présentant par exemple des caractéristiques différentes. Dans une bande de captage traditionnelle pour pantographe ou dans un patin de troisième rail, le contact électrique glissant est solidarisé à un étrier sur lequel sont fixées des fixations permettant d'implanter l'ensemble. Le contact électrique tel que décrit dans l'invention permet de supprimer l'étrier, diminuant ainsi encore le poids de l'ensemble. On pourra par exemple percer la bande de captage réalisée à partir de mousse de métal afin d'y visser directement les fixations. Selon un autre mode de réalisation, ou peut directement coller les fixations sur la mousse de métal. io 20 25

Claims

REVENDICATIONS1. Contact électrique glissant apte à assurer un contact électrique entre deux pièces dont l'une au moins est en mouvement par rapport à l'autre, caractérisé en ce que le contact électrique glissant comprend au moins une mousse de métal formée de cellules ouvertes.
2. Contact électrique glissant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un constituant de la mousse de métal est choisi parmi le cuivre, le laiton, le bronze et/ou le nickel.
3. Contact électrique glissant selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les cellules ouvertes de la mousse de métal sont remplies au moins en partie d'au moins un matériau de remplissage.
4. Contact électrique glissant selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins un matériau de remplissage est résistant à l'abrasion et/ou aux chocs.
5. Contact électrique glissant selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le matériau de remplissage comprend un ajout de charges de granulométrie adaptée.
6. Bande de captage de courant comprenant au moins un contact électrique glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 30
7. Patin de rail électrifié comprenant au moins un contact électrique glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
8. Bague pour baguier ou collecteur tournant comprenant au 35 moins un contact électrique glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
9. Balai moteur comprenant au moins un contact électrique glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.