WO2008122628A2 - Temoin d'usure de balai d'une machine electrique - Google Patents

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Damien Demuynck
Georges Masullo
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Thales
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    • 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
    • H01R39/58—Means structurally associated with the current collector for indicating condition thereof, e.g. for indicating brush wear
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00—Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H02K13/006—Structural associations of commutators

Definitions

  • the invention relates to an electric machine with wound rotor.
  • This type of rotor requires the implementation of a collector belonging to the rotor and brushes belonging to the stator of the electric machine.
  • This type of machine can be used as a generator or motor.
  • the stator can be configured in different ways such as for example a stator with permanent magnet or wound.
  • the verification of brush wear can only be done when the holder of the electric machine is at a standstill and it is important to provide a margin of safety allowing the operation of the electric machine between the moment when reaching a wear rating is detected and the time when replacement of the worn brush or brushes is possible.
  • the detection can for example take place during a stopover where no spare part is available.
  • the margin of safety must be sufficient to reach another stopover where replacement is possible.
  • the invention aims to make it possible to test the brushes without disassembly of the electric machine and to inform an operator responsible for the maintenance of the machine on a date before which it will imperatively change the worn broom.
  • the subject of the invention is an electric machine comprising a stator and a rotor, the stator comprising at least one broom support at a first end thereof against a collector of the rotor for transmitting a current to the collector, the brush being able to wear in contact with the collector in one direction, characterized in that the electrical machine comprises means for memorizing the damage a wear rating determined according to the direction.
  • the invention can equally well be implemented in a DC or AC electrical machine, a machine used as a generator or as a motor.
  • FIG. 1 schematically represents a broom in contact on a collector
  • FIG. 2 represents an electric machine equipped with several brushes associated with means for memorizing the wear of the brushes
  • FIG. 3 represents an electric machine equipped with a single indicator indicating the state of wear of its brushes
  • FIG. 4 represents an electrical machine enabling the return of information concerning the wear of its brushes
  • Figures 5a and 5b show remote boxes with LEDs indicating the state of wear of brushes.
  • Figure 1 shows schematically a brush 1 in contact with a commutator 2.
  • the brush 1 belongs to a stator of an electric machine and the collector belongs to a rotor of the electric machine.
  • the brush 1 is intended to transmit an electric current to the collector 2 for feeding windings of the rotor.
  • a wear dimension u is defined along a main direction of the brush 1.
  • This main direction is carried by an axis 3. This is the direction in which a force is exerted on the blade 1 to hold it against the collector 2.
  • a bearing opposite to the shaft end of the electric machine comprises guides in which the blade 1 can slide along the axis 3.
  • a spring can for example push the blade 1 into the slide.
  • the axis 3 intersects an axis 4 of rotation of the rotor.
  • the axis 4 is perpendicular to the plane of FIG.
  • the dimension u is defined from one end 5 of the brush, end bearing on the collector 2.
  • the blade 1 may comprise a wire 6 embedded in a material of the blade 1 and extending from one end 7 of the blade 1, to the wear dimension u determined along the main direction 3 of the blade 1.
  • the end 7 is opposite the end 5.
  • the contact between the wire can be electrically exploited 6 and the collector 2 to retrieve information on the level of wear of the blade 1.
  • the wire 6 is multi-stranded.
  • This type of wire does not use the collector 2 more than the friction of the brush 1 on the collector 2.
  • a single strand wire tends to create a groove in the collector 2 which may damage it.
  • the collector 2 is generally made by means of an assembly of radial copper contacts separated by insulators. The copper contacts are prominent with respect to the insulator and it has been found that the contacts of the collector 2 cut the strands of a multi-stranded wire 6 without creating a groove in the contacts. The pieces of strands cut by the contacts of the collector 2 can then be evacuated by ventilation to cool the electric machine. The wire 6 can be isolated.
  • the wire 6 forms a loop 8 inside the blade 1.
  • the loop 8 extends from the end 7 to the wear dimension u.
  • the wire 6 has two ends 9 and 10 outside the brush 1.
  • the wire 6 has no end inside the blade 1 which facilitates its isolation.
  • FIG. 2 represents an electric machine whose stator 20 is equipped with four brushes 21 to 24 intended to be in contact with a commutator 26 of a rotor 25 of the electric machine.
  • only two brushes 21 and 22 are equipped with wires 6. It is of course possible to equip the four brushes 21 to 24 with wires 6.
  • the wire 6 of the brush 22 is connected to a positive terminal 27 supplying by For example, a DC voltage 28V through a coil 28 of a relay 29.
  • the wire 6 of the brush 21 is connected to a ground 30, or negative terminal providing the DC voltage.
  • the relay 29 has a contact 31 controlled by the coil 28.
  • the contact 31, when activated by the coil 28, supplies an indicator 32, for example magnetic, DC voltage 28V.
  • the wire 6, the relay 29 and the indicator 32 form an example of means for memorizing the achievement of a wear rating determined by at least one of the brushes 21 to 24 in the direction 3.
  • the son or son 6 form a loop inside the respective brushes 21 or 22, it is possible to connect only one of the ends 9 or 10 to one of the terminals 27 or 30. It is also possible to connect together the two ends 9 and 10 of each wire 6. This second alternative makes it easy to isolate the entire equipotential to which the wire 6 belongs without having to isolate an unconnected end of the wire 6.
  • the indicator 32 can take two positions, a first indicating that the wear dimension u is not reached and a second position indicating that the wear rating is reached or exceeded. As long as the wear rating u of the brushes 21 and 22 is not reached, no current flows in the coil 28, the relay 29 remains at rest and the indicator 32 is in its first position. When the wear score u is reached or exceeded, a current flows in the coil 28 through the brushes 21 and 22 as well as by the collector 25.
  • the relay 29 can lock the contact 31 from the first time that the current flows in the coil 28 which allows a lock of the first time that the wear rating u is reached. This locking prevents beats in the detection of the wear of the brushes 21 and 22.
  • Such a beat is essentially due to the passage of the brushes 21 and 22 on the different blades of the manifold 25.
  • the indicator 32 remains locked in its second position. However, it remains possible to unlock the indicator by cutting off the DC voltage supply which allows contact 31 of relay 29 to drop.
  • a connector 33 can take the voltage present at the output of contact 31 and directly supplying indicator light 32. makes it possible to exploit the wear detection of the brushes 21 and 22 by a monitoring system outside the electric machine.
  • FIG. 2 is only given by way of example and other embodiments are of course possible, for example by associating the wires 6 of the four brushes 21 to 24 in series in the circuit connecting the coil 28 to the mass 30. It is also possible to provide wire 6 only on one of the brushes only by connecting the mass 30 to the material of the brush retained. In this case, it is assumed that the wear of all the brushes of the electric machine is homogeneous and that the wear detection of one of the brushes requires the replacement of all the brushes of the electric machine.
  • the storage means trigger a counter of a period during which the electric machine must be revised.
  • the period may for example be a number of hours of operation of the electric machine.
  • the counter can be activated by connector 33.
  • FIG. 3 shows an electric machine equipped with a single indicator 32 indicating the state of wear of its brushes.
  • the indicator 32 is located on a housing 35 disposed on a casing 36 of the electric machine. On the housing 35 is also located the connector 33.
  • the arrangement of the housing 35 on the envelope 36 is a function of the visual accessibility of the indicator 32 when the electrical machine is mounted in its environment.
  • FIG. 4 represents an electric machine without indicator light 32 disposed on its envelope 36 but allowing the return of information concerning the wear of its brushes by means of the connector 33.
  • FIG. 5a shows a remote housing 35 having an indicator 32 indicating the state of wear of the brushes of the electric machine.
  • FIG. 5b shows a remote housing 35 comprising three LEDs 32. It is indeed possible to implement the invention on an aircraft comprising three electrical machines.

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract

L'invention concerne une machine électrique à rotor bobiné (26). Ce type de rotor (26) nécessite la mise en œuvre d'un collecteur (25) appartenant au rotor (26) et de balais (21 à 24) appartenant au stator (20) de la machine électrique. Selon l'invention, la machine électrique comporte des moyens de mémorisation (6, 29, 32) de l'atteinte d'une cote d'usure (u) déterminée du balai (21 à 24). Dans un mode de réalisation préférentiel, les moyens de mémorisation mettent en œuvre un fil (6) isolé et noyé dans le matériau du balai (21 à 24). Lorsque l'usure du balai (21 à 24) au contact du collecteur (25) est suffisante, l'isolant du fil (6) est détruit par le collecteur (25) et le conducteur du fil (6) entre en contact électrique avec le collecteur (25), ce qui permet une détection de l'usure du balai (21 à 24).

Description

Témoin d'usure de balai d'une machine électrique
L'invention concerne une machine électrique à rotor bobiné. Ce type de rotor nécessite la mise en œuvre d'un collecteur appartenant au rotor et de balais appartenant au stator de la machine électrique. Ce type de machine peut être utilisé en génératrice ou en moteur. Le stator peut être configuré de différentes façons comme par exemple un stator à aimant permanent ou bobiné.
Les machines électriques à collecteur et balais présentent de nombreux inconvénients connus comme par exemple la création d'étincelles entre les balais et le collecteur ainsi que le frottement du balai sur le collecteur. Le frottement est nécessaire pour assurer un bon contact électrique entre les balais et le collecteur mais entraîne tout comme les étincelles l'usure des balais. Les balais sont généralement poussés vers le collecteur par exemple par des ressorts, d'une part pour assurer une pression suffisante du balai sur le collecteur et d'autre part pour rattraper l'usure des balais. L'usure des balais impose un remplacement périodique des balais. Actuellement le repérage de l'usure se fait par démontage de la machine et par observation des balais pour en mesurer le degré d'usure. Le démontage est coûteux en temps d'intervention et génère des risques de dégradation de la fiabilité de la machine électrique. Dans le domaine des machines électriques embarquées, par exemple à bord d'aéronefs, la vérification de l'usure des balais ne peut se faire que lorsque le porteur de la machine électrique est à l'arrêt et il est important de prévoir une marge de sécurité permettant le fonctionnement de la machine électrique entre le moment ou l'atteinte d'une cote d'usure est détectée et le moment où le remplacement du ou des balais usés est possible. La détection peut par exemple avoir lieu lors d'une escale où aucune pièce détachée n'est disponible. La marge de sécurité doit être suffisante pour atteindre une autre escale où le remplacement est possible.
L'invention à pour but de rendre possible le test des balais sans démontage de la machine électrique et de renseigner un opérateur chargé de la maintenance de la machine sur une date avant laquelle il devra impérativement changer le balai usé.
A cet effet, l'invention a pour objet une machine électrique comportant un stator et un rotor, le stator comprenant au moins un balai en appui à une première de ses extrémités contre un collecteur du rotor pour transmettre un courant vers le collecteur, le balai pouvant s'user au contact du collecteur suivant une direction, caractérisé en ce que la machine électrique comporte des moyens de mémorisation de l'atteinte d'une cote d'usure déterminée suivant la direction.
L'invention peut tout aussi bien être mise en œuvre dans une machine électrique à courant continu ou alternatif, machine utilisée en générateur ou en moteur.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la figure 1 représente schématiquement un balai en contact sur un collecteur ; la figure 2 représente une machine électrique équipée de plusieurs balais associés à des moyens de mémorisation de l'usure des balais ; la figure 3 représente une machine électrique équipée d'un seul voyant indiquant l'état d'usure de ses balais ; la figure 4 représente une machine électrique permettant le renvoi d'une information concernant l'usure de ses balais ; les figures 5a et 5b représentent des boîtiers déportés comportant des voyants indiquant l'état d'usure de balais.
Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
La figure 1 représente schématiquement un balai 1 en contact sur un collecteur 2. le balai 1 appartient à un stator d'une machine électrique et le collecteur appartient à un rotor de la machine électrique. Le balai 1 est destiné à transmettre un courant électrique au collecteur 2 pour alimenter des enroulements du rotor.
Le balai 1 s'usant au contact du collecteur 2, on définit une cote d'usure u suivant une direction principale du balai 1 . Cette direction principale est portée par un axe 3. Il s'agit de la direction dans laquelle un effort est exercé sur le balai 1 pour le maintenir en appui contre le collecteur 2. Un palier opposé au bout d'arbre de la machine électrique comporte des guides dans lesquels peut coulisser le balai 1 suivant l'axe 3. Un ressort peut par exemple pousser le balai 1 dans la glissière. Généralement, l'axe 3 coupe un axe 4 de rotation du rotor. L'axe 4 est perpendiculaire au plan de la figure 1 . La cote u est définie à partir d'une extrémité 5 du balai, extrémité en appui sur le collecteur 2.
Le balai 1 peut comporter un fil 6 noyé dans un matériau du balai 1 et s'étendant depuis une extrémité 7 du balai 1 , jusqu'à la cote d'usure u déterminée suivant la direction principale 3 du balai 1 . L'extrémité 7 est opposée à l'extrémité 5. Lorsque le balai 1 s'use, la cote u diminue jusqu'à s'annuler laissant ainsi le fil 6 frotter contre le collecteur 2. On peut exploiter électriquement le contact entre le fil 6 et le collecteur 2 pour récupérer une information sur le niveau d'usure du balai 1 .
On peut mettre en œuvre un fil 6 monobrin, mais avantageusement, le fil 6 est multibrin. Ce type de fil n'use pas plus le collecteur 2 que le frottement du balai 1 sur le collecteur 2. Un fil monobrin a tendance à créer un sillon dans le collecteur 2 qui risque de l'endommager. Le collecteur 2 est généralement réalisé au moyen d'un assemblage de contacts radiaux en cuivre séparés par des isolants. Les contacts en cuivre sont proéminents par rapport à l'isolant et on a constaté que les contacts du collecteur 2 découpent les brins d'un fil 6 multibrin sans créer de rainure dans les contacts. Les morceaux de brins découpés par les contacts du collecteur 2 peuvent ensuite être évacués par une ventilation assurant le refroidissement de la machine électrique. Le fil 6 peut être isolé. Ainsi, il sera aisé de détecter une modification d'un signal électrique appliquée au fil 6. Tant que l'isolant du fil 6 est intact, le signal n'est pas altéré. Lorsque le balai 1 s'use au point de couper l'isolant et de mettre le fil 6 à nu, le balai 1 collecteur 2 et le fil 6 sont alors en contact et on peut détecter une modification du signal électrique appliquée au fil 6.
Avantageusement, le fil 6 forme une boucle 8 à l'intérieur du balai 1 . La boucle 8 s'étend depuis l'extrémité 7 jusqu'à la cote d'usure u. Le fil 6 comportent deux extrémités 9 et 10 extérieures au balai 1 . Ainsi, le fil 6 n'a aucune extrémité à l'intérieur du balai 1 ce qui facilite son isolement. On peut ainsi utiliser un fil standard que l'on peut acheter isolé. Plusieurs types d'isolants peuvent convenir. On s'est néanmoins rendu compte qu'il était préférable d'éviter un matériau d'isolant à base de silicone qui a tendance à user les contacts du collecteur 2 lorsque ceux-ci sont réalisés en cuivre. On peut par exemple mettre en œuvre un fil 6 isolé comportant un isolant PVC.
Pour ne pas surcharger les différentes figures, les connexions des balais pour alimenter le rotor de la machine électrique ne sont pas représentées.
La figure 2 représente une machine électrique dont le stator 20 est équipé de quatre balais 21 à 24 destinés à être en contact avec un collecteur 26 d'un rotor 25 de la machine électrique. Sur la figure 2, seuls deux balais 21 et 22 sont équipés de fils 6. Il est bien entendu possible d'équiper les quatre balais 21 à 24 de fils 6. Le fil 6 du balai 22 est relié à une borne positive 27 fournissant par exemple une tension continue 28V par l'intermédiaire d'une bobine 28 d'un relais 29. Le fil 6 du balai 21 est relié à une masse 30, ou borne négative fournissant la tension continue. Le relais 29 comporte un contact 31 commandé par la bobine 28. Le contact 31 , lorsqu'il est activé par la bobine 28, alimente un voyant 32, par exemple magnétique, en tension continue 28V. Le fil 6, le relais 29 et le voyant 32 forment un exemple de moyens de mémorisation de l'atteinte d'une cote d'usure déterminée par au moins un des balais 21 à 24 suivant la direction 3. Lorsque le ou les fils 6 forment une boucle à l'intérieur des balais 21 ou 22 respectifs, on peut ne connecter qu'une seule des extrémités 9 ou 10 à l'une des bornes 27 ou 30. On peut également connecter ensemble les deux extrémités 9 et 10 de chaque fil 6. Cette deuxième alternative permet d'isoler facilement l'ensemble de l'équipotentielle à laquelle appartient le fil 6 sans avoir à isoler une extrémité non connectée du fil 6.
Le voyant 32 peut prendre deux positions, une première indiquant que la cote d'usure u n'est pas atteinte et une seconde position indiquant que la cote d'usure est atteinte ou dépassée. Tant que la cote d'usure u des balais 21 et 22 n'est pas atteinte, aucun courant ne circule dans la bobine 28, le relais 29 reste au repos et le voyant 32 est dans sa première position. Lorsque la cote d'usure u est atteinte ou dépassée, un courant circule dans la bobine 28 en passant par les balais 21 et 22 ainsi que par le collecteur 25. Avantageusement, le relais 29 peut verrouiller le contact 31 dès la première fois où le courant circule dans la bobine 28 ce qui permet un verrouillage de la première fois que la cote d'usure u est atteinte. Ce verrouillage permet d'éviter des battements dans la détection de l'usure des balais 21 et 22. Un tel battement est essentiellement du au passage des balais 21 et 22 sur les différentes lames du collecteur 25. Le voyant 32 reste ainsi verrouillé dans sa seconde position. Il reste néanmoins possible de déverrouiller le voyant en coupant l'alimentation en tension continue ce qui permet de laisser retomber le contact 31 du relais 29. Un connecteur 33 peut prélever la tension présente en sortie du contact 31 et alimentant directement le voyant 32. Ceci permet d'exploiter la détection d'usure des balais 21 et 22 par un système de surveillance extérieur à la machine électrique.
Le schéma de la figure 2 n'est donné qu'à titre d'exemple et d'autres réalisations sont bien entendues possible, par exemple en associant les fils 6 des quatre balais 21 à 24 en série dans le circuit reliant la bobine 28 à la masse 30. On peut également ne prévoir de fil 6 que sur l'un des balais uniquement en raccordant la masse 30 au matériau du balai retenu. On supposera, dans ce cas, que l'usure de tous les balais de la machine électrique est homogène et que la détection d'usure de l'un des balais nécessite le remplacement de tous les balais de la machine électrique
Avantageusement, les moyens de mémorisation déclenchent un compteur d'une période au cours de laquelle la machine électrique doit être révisée. La période peut par exemple être un nombre d'heure de fonctionnement de la machine électrique. Le compteur peut être activé par le connecteur 33.
La figure 3 représente une machine électrique équipée d'un seul voyant 32 indiquant l'état d'usure de ses balais. Le voyant 32 est situé sur un boîtier 35 disposé sur une enveloppe 36 de la machine électrique. Sur le boîtier 35 est également situé le connecteur 33. La disposition du boîtier 35 sur l'enveloppe 36 est fonction de l'accessibilité visuelle du voyant 32 lorsque la machine électrique est montée dans son environnement.
La figure 4 représente une machine électrique sans voyant 32 disposé sur son enveloppe 36 mais permettant le renvoi d'une information concernant l'usure de ses balais au moyen du connecteur 33. La figures 5a représente un boîtier 35 déporté comportant un voyant 32 indiquant l'état d'usure de balais de la machine électrique. La figures 5b représente un boîtier 35 déporté comportant trois voyants 32. On peut en effet mettre en œuvre l'invention sur un avion comportant trois machines électriques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine électrique comportant un stator (20) et un rotor (26), le stator (20) comprenant au moins un balai (1 ; 21 , 22, 23, 24) en appui à une première de ses extrémités (5) contre un collecteur (2 ; 25) du rotor (26) pour transmettre un courant vers le collecteur (2 ; 25), le balai (1 ; 21 , 22, 23, 24) pouvant s'user au contact du collecteur (2 ; 25) suivant une direction (3), caractérisé en ce que la machine électrique comporte des moyens de mémorisation (6, 29, 32) de l'atteinte d'une cote d'usure (u) déterminée suivant la direction (3).
2. Machine électrique selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le balai (1 ; 21 , 22, 23, 24) comporte un fil (6) noyé dans un matériau du balai (1 ; 21 , 22, 23, 24) et s'étendant depuis une seconde extrémité (7) du balai (1 ; 21 , 22, 23, 24) suivant la direction (3) jusqu'à la cote d'usure (u) déterminée.
3. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fil (6) est multibrins.
4. Machine électrique selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le fil (6) est isolé.
5. Machine électrique selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le fil (6) comporte deux extrémités (9, 10) extérieures au balai (1 ; 21 , 22, 23, 24) et en ce que le fil (6) forme une boucle (8) à l'intérieur du balai (1 ; 21 , 22, 23, 24), la boucle (8) s'étendant jusqu'à la cote d'usure (u) déterminée.
6. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mémorisation (6, 29, 32) comportent un verrouillage (29) de la première fois que la cote d'usure (u) est atteinte.
7. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mémorisation déclenchent un compteur d'une période au cours de laquelle la machine électrique doit être révisée.
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