Dispositif de transmission électrique de systèmes rotatifs
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de transmission de l'électricité entre une partie fixe telle qu'un palier et une partie mobile rotative telle qu'un arbre tournant et concerne en particulier un dispositif de transmission électrique de systèmes rotatifs.
Etat de la technique
Les circuits électriques qui assurent le passage du courant d'une partie tournante telle qu'un arbre d'entraînement à une partie fixe telle qu'un palier, dans un système rotatif, sont généralement constitués de pièces fixes et solidaires de la partie fixe et en contact par frottement avec la partie mobile, telles que des balais en graphite. Ces pièces sont en général spécifiques au circuit électrique et ne jouent aucun rôle dans le mouvement rotatif du dispositif. Les pertes électriques sont très souvent importantes en raison du mauvais contact entre les balais de frottement et la partie mobile. En outre, plus le courant est important et plus la surface de contact entre la source de courant et la partie à alimenter doit être grande. Or, pour assurer le passage d'un courant ayant une intensité de plus de 1000 A par exemple, la surface de contact en frottement très importante subit une dégradation rapide de son état de surface. Les systèmes à balais de frottement conducteurs nécessitent donc un grand nombre de balais dont la durée de vie est limitée. Dans le cas de balais en graphite, leur usure génère de la pollution. De plus, la chute de tension entre la partie fixe et la partie mobile pour de tels systèmes est importante.
Afin de pallier les inconvénients cités, d'améliorer les performances de la transmission électrique entre une partie mobile et une partie fixe, et d'améliorer la durée de vie des pièces de transmission, certains dispositifs
utilisent des métaux liquides conducteurs comme le mercure dans un palier étanche . Le mercure est alors en contact permanent avec la partie mobile et la surface de contact qui assure le passage du courant est importante. Cependant, l'emploi de mercure ou autres alliages métalliques liquides à base de mercure restreint l'utilisation de tels dispositifs et présente l'inconvénient d'être en contravention avec les nouvelles réglementations liées à la protection de l'environnement aujourd'hui.
Exposé de 1 ' invention
C'est pourquoi le but de l'invention est de fournir un dispositif de transmission du courant entre une partie fixe et une partie mobile, acceptant les courants de forte intensité et procurant une surface de contact importante par l'utilisation d'éléments de roulement électriquement conducteurs et sous contrainte.
L'objet de l'invention concerne donc un dispositif d'alimentation électrique d'une partie mobile rotative tournant autour ou à l'intérieur d'une partie fixe dans lequel le courant électrique est transmis entre la partie fixe et la partie mobile par l'intermédiaire des moyens de contact assurant la connexion électrique entre la partie fixe et la partie mobile lorsque celle-ci est en rotation. Les moyens de contact comprennent essentiellement au moins un élément de roulement sous contrainte situé entre une première bague solidaire de la partie fixe et une deuxième bague solidaire de la partie mobile rotative et sont constitués d'un ou de plusieurs matériaux ayant une dureté Brinel supérieure à 100 HB et une résistivité inférieure à 4μΩ.cm.
Selon une autre caractéristique qui est particulièrement avantageuse, l'élément de roulement est un ressort électriquement conducteur et dont le diamètre au repos est inférieur à l'écart entre les bagues externe et interne .
Brève description des dessins
Les buts, objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : la figure 1 représente une vue en coupe des parties fixe et mobile et des roulements, la figure 2a représente une vue en coupe d'un roulement à ressort selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la figure 2b représente une vue en coupe d'un roulement plein, la figure 2c représente une vue en coupe d'un roulement de forme conique.
Description détaillée de l'invention
Selon la figure 1, la partie fixe du système, non représentée sur le schéma, est solidaire d'une bague externe 10 recouverte d'un revêtement argenté sur sa paroi interne 17 dans le mode de réalisation préféré de l'invention. La partie tournante représentée par l'arbre 12 est également solidaire d'une bague interne 14 recouverte également d'un revêtement argenté sur sa paroi externe 18. L'espace entre les deux bagues reçoit un ensemble de roulements identiques 16. Les roulements sont placés entre les deux bagues 10 et 14 sous contrainte afin que tous les roulements soient en contact avec les parois 17 et 18 des bagues externe et interne pour obtenir la meilleure conduction électrique possible entre les roulements et les parois 17 et 18. En effet, la connexion électrique entre la partie fixe et la partie mobile étant assurée par des moyens de contact entre ces deux parties, plus la surface de contact est grande entre ces deux parties et plus la
conduction électrique sera importante et donc le flux d'électricité transmis de la partie fixe à la partie mobile sera important. Selon la forme des roulements, la contrainte est appliquée différemment. Le courant électrique de grande intensité provenant d'une source extérieure passe de la bague externe 10 à l'arbre 12 par l'intermédiaire des roulements 16. Le revêtement argent des roulements 16 et des parois 17 et 18 en contact avec les roulements, diminue la résistance électrique de contact des pièces entre elles et donc augmente la conductivité électrique de contact. ^f X
Les roulements sont de forme sphérique, cylindrique, conique, à aiguilles ou de tout autre forme. Ils peuvent être composés d'un même matériau tel qu'un rouleau en acier ou peuvent être composés de plusieurs matériaux tel qu'un rouleau plein en un premier métal recouvert d'un autre métal. D'autres types de roulement peuvent être envisageables tels qu' ils sont décrits dans la suite de la description. Le dispositif selon l'invention est destiné à la transmission de courants d'une intensité supérieure à 1000 A. Avec des courants d'une telle intensité, il est nécessaire d'appliquer une forte pression dans la mesure où le courant s'écoule d'autant mieux que la pression est plus grande. Cette forte pression est présente naturellement lorsque la partie fixe et la partie mobile présentent des masses importantes, ce qui est généralement le cas dans toutes les applications où des courants de forte intensité sont nécessaires. Toutefois, il peut être nécessaire de mettre le dispositif sous contrainte de façon à exercer une pression suffisante.
A cause de la forte pression exercée, il faut donc prévoir que le ou les matériaux constituant le roulement et
les deux bagues présentent une grande dureté de façon à continuer à fonctionner correctement aux températures élevées engendrées par le courant et à présenter une bonne longévité de fonctionnement. Il faut donc une dureté Brinel des matériaux qui soit supérieure à 100 HB. A noter que le cuivre présente une dureté Brinel inférieure comprise entre 45 et 90 HB. Ainsi, on peut utiliser des roulements en alliage bronze béryllium présentant cette caractéristique.
En plus de présenter une grande dureté, les matériaux utilisés doivent avoir la meilleure conductivité possible de façon à présenter le moins de résistance possible. De façon générale, la résistance des matériaux doit être inférieure à 4μΩ.cm.
Dans un mode de réalisation préféré, les roulements sont formés par des ressorts 20 de préférence à section carrée de façon à augmenter la surface de contact entre les roulements 16 et les parois des bagues 10 et 14. Pour allier de bonnes performances de conductivité électrique et des caractéristiques élastiques satisfaisantes, les ressorts sont de préférence en un alliage bronze béryllium qui présente les caractéristiques physiques de dureté et de résistivité énoncées ci-dessus. Ces roulements sous forme de ressorts assurent eux-mêmes la contrainte au niveau de chaque spire contre la paroi des bagues externe 10 et interne 14 car l'écart entre les deux bagues est inférieur au diamètre des ressorts au repos. Ainsi, les roulements ressorts, mis en place entre les deux bagues en position étirée afin de diminuer leur diamètre externe, exercent une pression radiale au niveau de chaque spire sur les parois 17 et 18 des bagues externe et interne 10 et 14 représentée par la flèche 27 ou 26. Par conséquent, plus le nombre de spires est important et plus la surface de contact entre le roulement ressort et la paroi des bagues est grande. Des
ressorts à section circulaire peuvent également être utilisés sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
De façon à améliorer encore la conductivité du matériau utilisé pour le roulement, il est judicieux d'inclure un métal extrêmement conducteur, comme l'argent, sous forme de particules de préférence, à la surface du roulement, que ce roulement soit un élément plein ou un ressort. L'argent peut ainsi être intégré au matériau du roulement tel que de l'alliage bronze béryllium en pratiquant des stries à la surface dans lesquelles sont intégrées les particules d'argent ou bien par frittage. A noter que l'argent peut être remplacé par un alliage d' argent .
Dans le cas de roulement sous forme de ressort, il est possible d'employer un enroulement cylindrique en un matériau tel que défini ci-dessus à l'intérieur duquel se trouve une âme élastique qui peut être en polyuréthane, en acier ou tout autre matériau élastique ou même un ressort en acier. Ainsi, le matériau possédant de bonnes propriétés de conductivité électrique transmet le courant électrique de la bague 14 à la bague 10 et l'âme remplit la fonction élastique d'un ressort traditionnel en exerçant une pression sur l'enroulement, la pression étant transmise par chaque spire sur les parois 17 et 18 des bagues externe et interne 10 et 14 telle que représentée par la flèche 27 ou 26. Les roulements ainsi formés sont placés sous contrainte au montage entre les deux bagues.
On peut également utiliser des roulements cylindriques 30 pleins tels que représentés sur la figure 2b. Dans ce cas, la pression entre les roulements et les parois en contact avec les roulements exercée par le poids de l'arbre représenté par la flèche 36 augmente la surface
de contact entre les roulements et la paroi des bagues externe et interne 10 et 14.
Pour obtenir la plus grande surface de contact possible entre les roulements et les bagues 10 et 14, les roulements sont placés sous contrainte au montage entre les deux bagues. Afin de placer les roulements sous contrainte, après avoir placé les roulements entre les deux bagues, la bague interne 14 est emmanchée sur un arbre conique afin d'augmenter son diamètre par une légère déformation et ainsi réduire l'écart entre la bague interne 14 et la bague externe 10. Ainsi, par le fait que le diamètre du roulement est légèrement supérieur à l'écart entre les deux bagues, le roulement exerce une pression sur les parois des bagues externe et interne 10 et 14 et permet d'améliorer la conductivité électrique de contact par l'augmentation de la surface de contact.
Selon un autre de mode de réalisation, un autre type de roulement cylindrique peut être envisagé sous forme d'un tube creux à l'intérieur duquel une âme en matière plastique déformable et élastique est placée. Ainsi, le tube assure le passage du courant électrique et le matériau élastique placé sous contrainte dans le tube tel qu'un ressort exerce une pression sur le tube, la pression est transmise du tube aux bagues externe et interne 10 et 14 assurant ainsi le contact permanent des parois du tubes avec les parois des bagues. L'âme du roulement peut être alors du polyuréthane ou tout autre matériau ayant des caractéristiques élastiques similaires.
Un autre mode de réalisation des roulements consiste à réaliser des roulements coniques comme représentés sur la figure 2c. Les pièces de roulement composées des roulements 40, de la bague interne 14 reliée à la partie mobile rotative telle qu'un arbre et de la bague externe 10 reliée
à la partie fixe telle qu'un palier sont coniques, le sommet des cônes étant confondu en un seul point situé sur l'axe de rotation de façon à ce qu'il y ait roulement sans frottement. Ainsi, pour augmenter la surface de contact entre les roulements et les parois des bagues, il suffit d'exercer une contrainte extérieure permanente représentée par la flèche 46 et parallèle à l'arbre.
Le dispositif de transmission d'un courant électrique entre une partie fixe et une partie mobile rotative décrit ici présente de nombreux avantages. En optimisant la surface de contact nécessaire entre les parties fixe et mobile eu égard à la pression exercée, il permet le passage de courants de très forte intensité tel que des courants de 50000A utilisés en électrotechnique de puissance. En outre, l'utilisation des roulements pour transmettre le courant supprime les éléments frottants utilisés dans les dispositifs traditionnels et augmente de façon considérable la durée de vie des pièces de transmission. De plus, la chute de tension entre la source de courant et les pièces à alimenter est beaucoup moins importante que dans le cas de pièces en contact par frottement du fait que les parties en contact sont sous pression. De plus, la contrainte créée au moment du montage entre les roulements et les parois des bagues interne et externe permet à tous les roulements d'être en contact permanent avec les parois des bagues pendant toute la durée de la rotation. En effet, les roulements traditionnels ne sont vraiment en contact avec les parois des bagues externe et interne que lorsqu'ils sont dans la position où la composante du poids est maximale.
Le dispositif selon l'invention peut aussi être utilisé uniquement pour la transmission électrique entre une partie rotative et une partie fixe, indépendamment du
mécanisme de roulement traditionnel destiné à subir les contraintes mécaniques.
Cependant, le dispositif selon l'invention peut aussi remplir à la fois les fonctions de dispositif d'alimentation électrique d'une partie mobile rotative tournant autour ou à l'intérieur d'une partie fixe et de roulement mécanique traditionnel assurant la portée de la partie fixe par rapport à la partie mobile.