WO2005020390A1 - Piece de contact electrique glissant - Google Patents

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WO2005020390A1 PCT/FR2004/001987 FR2004001987W WO2005020390A1 WO 2005020390 A1 WO2005020390 A1 WO 2005020390A1 FR 2004001987 W FR2004001987 W FR 2004001987W WO 2005020390 A1 WO2005020390 A1 WO 2005020390A1
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contact piece
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iron
weight
based particles
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Inventor
Wilhelm Latz
Michel Lincker
Emmanuel Joly
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Carbone Lorraine Applications Electriques
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    • 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 electrical sliding contact parts containing a carbonaceous material, typically graphite, and a metal or a metal alloy intended to increase the electrical conductivity, typically copper.
  • the invention relates very particularly to electric contact brushes, in particular those which are used in starters.
  • the sliding electrical contact parts may contain additions of lead or antimony in order to give them good damping properties, a low coefficient of friction on a contact element, such as a collector, and maintenance of performance in time.
  • application FR 1 392967 suggests the use of materials containing, in addition to lead, manganese (example 1) or a tin + iron mixture (example 2).
  • the subject of the invention is an electrical sliding contact part containing a carbon base and copper, characterized in that, free of lead, that is to say containing practically less than 0.05% by weight of lead, it contains in addition zinc and iron-based particles whose size is less than 500 ⁇ m.
  • the Applicant attributes the performance of the contact parts according to the invention to the fact that the iron has polishing properties combined with a high electrical conductivity.
  • the iron-based particles which typically contain more than 80% by weight of iron, may optionally contain one or more alloying elements.
  • the carbon base preferably represents at least 20% by weight of the contact part. This proportion is typically between 30 and 80% by weight.
  • the carbon base of the brush includes at least one carbon material, which can be carbon or preferably graphite.
  • the contact piece according to the invention may optionally contain more than one carbon material, such as a mixture of graphite and amorphous carbon.
  • the base carbonaceous contains at least 60% by weight of graphite.
  • Graphite can be natural or artificial or a mixture of both.
  • the proportion of iron-based particles in the composition of the contact piece is preferably between 1 and 15% by weight, and more preferably between 3 and 10% by weight.
  • the size of the iron-based particles typically characterized by a D50, is advantageously less than 500 ⁇ m, preferably less than 200 ⁇ m, on the one hand to obtain a homogeneous distribution of the iron in the powder before compression and on the other hand to avoid the appearance of microcracks in the powder mixture after compression. It is also advantageously greater than 50 ⁇ m in order to improve the flowability of the powder mixture before compression.
  • the proportion of zinc is preferably between 0.5 and 20% by weight, and more preferably between 1 and 10% by weight.
  • the proportion of copper depends on the intended application. It is typically between 20 and 80% by weight.
  • the contact piece according to the invention may optionally contain additives such as one or more lubricants or one or more polishing products (such as carbides or cokes).
  • the contact piece according to the invention can be formed of several superimposed layers, that is to say that it can be multilayer, such as a bilayer.
  • the sliding electrical contact piece according to the invention is advantageously used in an electric brush.
  • the invention also relates to an electric brush, such as an electric motor or starter brush, comprising at least one sliding contact part according to the invention.
  • the collector of electric motors and starters can be cylindrical or flat.
  • the contact piece according to the invention is particularly suitable for b ⁇ l ⁇ is of motor vehicle starters.
  • the brushes according to the invention can be made of a single material (monolayer) or of several materials (multilayer), with at least one layer, called conductive, made of a material having a low electrical resistivity and at least one layer, called switching, made of a material having a higher electrical resistivity. In the latter case, it is at least the material constituting the conductive layer which advantageously contains zinc and iron-based particles whose size is less than 500 ⁇ m.
  • the contact parts according to the invention can be obtained by a process comprising: - the mixture of copper, zinc, iron, graphite powders and a binder; - The shaping of the contact piece, typically by compression in a mold; i5 - heat treatment of the part capable of causing it to cook.
  • French patent application FR 2 709 61 1 describes a method for manufacturing multi-layer brushes capable of being used to obtain brushes according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates two-layer starter brushes according to the invention, seen in longitudinal section.
  • FIG. 2 illustrates an electric motor brush according to the invention, seen in longitudinal section.
  • An electric brush (1) typically comprises at least one contact piece (6) and a connection conductor (5), which is typically a flexible cable.
  • the brush (1) may include means for electrically connecting the contact piece (6) to the connection conductor (5).
  • the direction of rotation of the blades (10) of the collector (9) is given by the arrow R.
  • the blades (10) "enter” from the side (7) called “entry” of the brush and “exit” from the side (8) called “exit” from the broom.
  • a multilayer brush (1) comprises a contact part (6) which typically comprises at least a first layer (2) having a first conductivity, called high, and a second layer (3) having a second conductivity, called weak. These layers are arranged so that the plane of the interface (4) between them intercepts the blades (10) of the collector (9). This configuration makes it possible to avoid the formation of electric arcs during switching, that is to say when switching from one manifold blade to the next. Said interface is typically perpendicular to the plane tangent to the blades (10).
  • connection conductor (5) is typically fixed in the high conductivity layer (2) of the brush, either directly (FIG. 1 A), either through the low conductivity layer (3) ( Figure 1 B).
  • the proportion of copper in the high conductivity layer is typically between 50 and 70% by weight. It is typically between 2 and 30% by weight in the layer of low conductivity.
  • the thickness of the layers depends on the type of starter. In automobile starters, the thickness of the high conductivity layer is typically between 3 and 6 mm; that of the layer of low conductivity is typically between 1 and 2 mm.
  • a multilayer brush may also include two or more contiguous contact pieces. testing
  • the brushes were multilayer brushes as illustrated in FIG. 1. With respect to the contact surface S on the manifold, the dimensions of the brushes were 18 mm in the radial direction, 11 mm in the axial direction and between 4 , 5 and 9.4 mm in the tangential direction.
  • the collectors were flat (as shown in Figure 1).
  • Table I gives the ranges of proportions by weight of each component used in the initial mixture of the first layer (2).
  • the iron particles had a metal purity greater than 99% by weight.
  • the additive consisted of common lubricants and polishers.
  • the composition of the second layer (3) was similar to the first layer with a large difference in the proportion of copper, which was significantly lower in order to increase the resistivity of the layer.
  • Table II gives the results of the measurements and tests carried out on these brushes. This table gives, for each test, the resistivity p measured, the speed of rotation of the collectors of the flat starters (corresponding to that of the drive pinion mounted on the shaft of the machine), an evaluation of the degradation of the contact, c i.e. an evaluation of the drop in performance after 20,000 cycles (by measuring the torque and the speed of rotation), and a evaluation of the "useful life” by a measurement of the number of cycles carried out on a brush so that it reaches a wear of 10 mm.

Landscapes

  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)
  • Contacts (AREA)

Abstract

L'invention a pour objet une pièce de contact électrique glissant comprenant une base de matériau carboné et du cuivre, caractérisée en ce que, exempte de plomb, elle contient en outre du zinc et des particules à base de fer dont la taille est inférieure à 500 μm. Les pièces de contact selon l'invention sont particulièrement adaptées aux dispositifs électriques qui imposent des densités de courant et des vitesses de frottement élevées, telles que les démarreurs de véhicules automobiles à forte puissance massique.

Description

PIECE DE CONTACT ELECTRIQUE GLISSANT
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne les pièces de contact électrique glissant contenant un matériau carboné, typiquement du graphite, et un métal ou un alliage de métal destiné à en augmenter la conductivité électrique, typiquement du cuivre. L'invention concerne tout particulièrement les balais de contact électrique, notamment ceux qui sont utilisés dans les démarreurs.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les pièces de contact électrique glissant peuvent contenir des additions de plomb ou d'antimoine afin de leur conférer de bonnes propriétés d'amortissement, un faible coefficient de frottement sur un élément de contact, tel qu'un collecteur, et un maintien des performances dans le temps. Pour améliorer les performances en tenue à l'usure, la demande FR 1 392967 suggère l'emploi de matériaux contenant, outre le plomb, du manganèse (exemple 1 ) ou un mélange étain+fer (exemple 2).
Comme l'addition de plomb est toxique et préjudiciable à l'environnement, il existe une demande importante pour des pièces de contact contenant peu ou pas du tout de plomb ou d'antimoine. Mais le remplacement du plomb ou de l'antimoine par d'autres métaux connus pour leurs propriétés lubrifiantes n'est pas aisé. Ainsi, la demande de brevet européen EP 0 525 222 enseigne de remplacer le plomb ou l'antimoine par de l'étain ou du zinc, en prenant des mesures destinées à séparer le cuivre des additions d'étain ou de zinc afin d'éviter la formation d'alliages entre ces éléments.
Toutefois, dans les dispositifs électriques qui imposent des densités de courant et des vitesses de frottement élevées, telles que les démarreurs de véhicules automobiles à forte puissance massique (notamment les démarreurs à collecteur plat), les balais connus, en particulier s'ils ne contiennent pas de plomb et même s'ils contiennent du zinc, n'atteignent pas les performances requises, notamment la durée de vie et la stabilité dans le temps des caractéristiques. La demanderesse a donc recherché des solutions à ce problème.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
L'invention a pour objet une pièce de contact électrique glissant contenant une base carbonée et du cuivre caractérisée en ce que, exempte de plomb, c'est-à-dire contenant pratiquement moins de 0,05% en poids de plomb, elle contient en outre du zinc et des particules à base de fer dont la taille est inférieure à 500 μm.
La demanderesse a noté, dans ses essais, que l'effet combiné du zinc et du fer était de réduire le frottement sans entraîner une usure rapide de la pièce de contact. La demanderesse attribue les performances des pièces de contact selon l'invention au fait que le fer possède des propriétés polissantes combinées à une conductivité électrique élevée.
Les particules à base de fer, qui comportent typiquement plus de 80 % en poids de fer, peuvent éventuellement contenir un ou plusieurs éléments d'alliage. La base carbonée représente de préférence au moins 20 % en poids de la pièce de contact. Cette proportion est typiquement comprise entre 30 et 80 % en poids.
La base carbonée du balai comprend au moins un matériau carboné, qui peut être du carbone ou de préférence du graphite. La pièce de contact selon l'invention peut éventuellement contenir plus d'un matériau carboné, tel qu'un mélange de graphite et de carbone amorphe. De préférence, la base carbonée contient au moins 60 % en poids de graphite. Le graphite peut être naturel ou artificiel ou un mélange des deux.
La proportion de particules à base de fer dans la composition de la pièce de contact est de préférence comprise entre 1 et 15 % en poids, et de préférence encore entre 3 et 10 % en poids. La taille des particules à base de fer, typiquement caractérisée par un D50, est avantageusement inférieure à 500 μm, de préférence inférieure à 200 μm, d'une part pour obtenir une répartition homogène du fer dans la poudre avant compression et d'autre part pour éviter l'apparition de microfissures dans le mélange pulvérulent après compression. Elle est également avantageusement supérieure à 50 μm afin d'améliorer la coulabilité du mélange pulvérulent avant compression.
La proportion de zinc est de préférence comprise entre 0,5 et 20 % en poids, et de préférence encore entre 1 et 10 % en poids.
La proportion de cuivre dépend de l'application envisagée. Elle se situe typiquement entre 20 et 80 % en poids. La pièce de contact selon l'invention peut éventuellement contenir des additifs tels qu'un ou plusieurs lubrifiants ou un ou plusieurs produits polissants (tels que des carbures ou des cokes).
La pièce de contact selon l'invention peut être formée de plusieurs couches superposées, c'est-à-dire qu'elle peut être multicouche, tel qu'un bicouche.
La pièce de contact électrique glissant selon l'invention est avantageusement utilisée dans un balai électrique. Ainsi, l'invention a également pour objet un balai électrique, tel qu'un balai de moteur électrique ou de démarreur, comprenant au moins une pièce de contact glissant selon l'invention. Le collecteur des moteurs électriques et des démarreurs peut être cylindrique ou plat. La pièce de contact selon l'invention est particulièrement adaptée aux bαlαis de démarreurs de véhicules automobiles. Les balais selon l'invention peuvent être en un seul matériau (monocouche) ou en plusieurs matériaux (multicouche), avec au moins une couche, dite conductrice, constituée d'un matériau présentant une faible résistivite électrique et au moins une couche, 5 dite commutante, constituée d'un matériau présentant une plus forte résistivite électrique. Dans ce dernier cas, c'est au moins le matériau constitutif de la couche conductrice qui contient avantageusement du zinc et des particules à base de fer dont la taille est inférieure à 500 μm.
w Les pièces de contact selon l'invention peuvent être obtenues par un procédé comportant : - le mélange de poudres de cuivre, de zinc, de fer, de graphite et d'un liant; - la mise en forme de la pièce de contact, typiquement par compression dans un moule; i5 - un traitement thermique de la pièce apte à entraîner sa cuisson.
La demande de brevet français FR 2 709 61 1 décrit un procédé de fabrication de balais multicouche susceptible d'être utilisé pour obtenir des balais selon l'invention.
20 La figure 1 illustre des balais de démarreur bicouches selon l'invention, vus en section longitudinale.
La figure 2 illustre un balai de moteur électrique selon l'invention, vu en section 25 longitudinale.
Un balai électrique (1 ) comporte typiquement au moins une pièce de contact (6) et un conducteur de raccordement (5), qui est typiquement un câble souple. Le balai (1 ) peut comporter des moyens pour raccorder électriquement 30 la pièce de contact (6) au conducteur de raccordement (5). Le sens de rotation des lames (10) du collecteur (9) est donné par la flèche R. Les lames (10) "entrent" du côté (7) appelé "entrée" du balai et "sortent" du côté (8) appelé "sortie" du balai.
Tel qu'illustré à la figure 1 , un balai multicouche (1 ) comprend une pièce de contact (6) qui comporte typiquement au moins une première couche (2) ayant une première conductivite, dite élevée, et une deuxième couche (3) ayant une deuxième conductivite, dite faible. Ces couches sont disposées de manière à ce que le plan de l'interface (4) entre celles-ci intercepte les lames (10) du collecteur (9). Cette configuration permet d'éviter la formation d'arcs électriques lors de la commutation, c'est-à-dire lors du passage d'une lame de collecteur à la suivante. Ladite interface est typiquement perpendiculaire au plan tangent aux lames (10).
Dans le cas d'un balai de démarreur bicouche, tel que celui illustré à la figure 1 , le conducteur de raccordement (5) est typiquement fixé dans la couche de conductivite élevée (2) du balai, soit directement (figure 1 A), soit à travers la couche de faible conductivite (3) (figure 1 B). La proportion de cuivre dans la couche de conductivite élevée est typiquement comprise entre 50 et 70 % en poids. Elle est typiquement comprise entre 2 et 30 % poids dans la couche de faible conductivite.
Dans le cas des démarreurs, l'épaisseur des couches dépend du type de démarreur. Dans les démarreurs d'automobile, l'épaisseur de la couche de conductivite élevée est typiquement comprise entre 3 et 6 mm ; celle de la couche de faible conductivite est typiquement comprise entre 1 et 2 mm.
Un balai multicouche peut également comprendre deux ou plusieurs pièces de contact jointives. Essais
Des essais comparatifs ont été effectués sur deux compositions différentes de balai multicouche. Les balais étaient des balais multicouches tels qu'illustrés à la figure 1. Par rapport à la surface de contact S sur le collecteur, les dimensions des balais étaient de 18 mm dans le sens radial, 1 1 mm dans le sens axial et entre 4,5 et 9,4 mm dans le sens tangentiel. Les collecteurs étaient plats (tel qu'illustré à la figure 1 ).
Le tableau I donne les fourchettes de proportions en poids de chaque composant utilisées dans le mélange initial de la première couche (2). Les particules de fer avaient une pureté en métal supérieure à 99 % en poids. L'additif était constitué de produits lubrifiants et polissants usuels.
Tableau I
Figure imgf000008_0001
La composition de la deuxième couche (3), appelée "couche commutante", était similaire à la première couche avec une forte différence dans la proportion de cuivre, qui était nettement inférieure afin d'augmenter la résistivite de la couche.
Le tableau II donne les résultats des mesures et tests effectués sur ces balais. Ce tableau donne, pour chaque essai, la résistivite p mesurée, la vitesse de rotation des collecteurs des démarreurs plats (correspondant à celle du pignon d'attaque monté sur l'arbre de la machine), une évaluation de la dégradation du contact, c'est-à-dire une évaluation de la chute des performances après 20000 cycles (par des mesures du couple et de la vitesse de rotation), et une évaluation de la "vie utile" par une mesure du nombre de cycles réalisés sur un balai pour qu'il atteigne une usure de 10 mm.
Tableau II
Figure imgf000009_0001
Ces essais montrent une nette amélioration des performances des balais selon l'invention qui semble attribuable à la présence de particules de fer.
Liste des repères numériques
1 Balai
2 Première couche
3 Deuxième couche 4 Interface
5 Conducteur de raccordement
6 Pièce de contact
7 Côté "entrée"
8 Côté "sortie" 9 Collecteur 10 Lame de collecteur

Claims

REVENDICATIONS
1. Pièce de contact électrique glissant contenant une base carbonée et du cuivre caractérisée en ce que, exempte de plomb, elle contient en outre du zinc et des particules à base de fer dont la taille est inférieure à 500 μm.
2. Pièce de contact selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la base carbonée représente au moins 20 % en poids de la pièce de contact.
3. Pièce de contact selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la base carbonée contient au moins 60 % en poids de graphite.
4. Pièce de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle contient entre 1 et 15 % en poids de particules à base de fer.
5. Pièce de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle contient entre 3 et 10 % en poids de particules à base de fer.
6. Pièce de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les particules à base de fer ont une taille comprise entre 50 et 200 μm.
7. Pièce de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les particules à base de fer comportent plus de 80 % en poids de fer.
8. Pièce de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte entre 0,5 et 20 % en poids de zinc.
9. Pièce de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte entre 1 et 10 % en poids de zinc.
10. Pièce de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, 5 caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un lubrifiant.
1 1. Pièce de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un produit polissant.
w 12. Pièce de contact selon la revendication 1 1 , caractérisée en ce que le produit polissant est choisi parmi les carbures et les cokes.
13. Pièce de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle est monocouche.
15 14. Pièce de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle est multicouche, avec au moins une couche, constituée d'un matériau présentant une faible résistivite électrique et au moins une couche constituée d'un matériau présentant une plus forte
20 résistivite électrique, le matériau constitutif de la couche présentant une faible résistivite électrique contenant du zinc et des particules à base de fer dont la taille est inférieure à 500 μm.
15. Balai électrique caractérisé en ce qu'il comprend au moins une pièce de 25 contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.
16. Balai électrique selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi les balais de moteur électrique et les balais de démarreur de véhicule automobile.
30 ! 7. Démarreur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un balai électrique selon la revendication 15.
8. Moteur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un balai électrique selon la revendication 15.
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