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Title:
SLIDING ELECTRICAL CONTACT PART
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/020390
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a sliding electrical contact part comprising a base of carbonaceous material and copper. The invention is characterised in that the part is lead free and contains zinc and iron-based particles having a size of less than 500 µm. The inventive contact parts are particularly suitable for electrical devices which require high current densities and friction velocities, such as motor vehicle starters with a high power-weight ratio.

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Inventors:
LATZ WILHELM (DE)
LINCKER MICHEL (FR)
JOLY EMMANUEL (FR)
Application Number:
PCT/FR2004/001987
Publication Date:
March 03, 2005
Filing Date:
July 26, 2004
Export Citation:
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Assignee:
CARBONE LORRAINE APPLICATIONS ELECTRIQUES (FR)
LATZ WILHELM (DE)
LINCKER MICHEL (FR)
JOLY EMMANUEL (FR)
International Classes:
H01R39/20; (IPC1-7): H01R39/20
Foreign References:
DE478021C1929-06-25
FR1392967A1965-03-19
FR2232847A11975-01-03
EP0525222A11993-02-03
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
Fenot, Dominique (217 cours Lafayette, Lyon Cedex 06, DE)
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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 um.
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 xum.
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, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un lubrifiant.
11. 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.
12. Pièce de contact selon la revendication 11, 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.
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 résistivité électrique et au moins une couche constituée d'un matériau présentant une plus forte résistivité électrique, le matériau constitutif de la couche présentant une faible résistivité électrique contenant du zinc et des particules à base de fer dont la taille est inférieure à 500 pm.
15. Balai électrique caractérisé en ce qu'il comprend au moins une pièce de 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.
17. Démarreur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un balai électrique selon la revendication 15.
18. Moteur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un balai électrique selon la revendication 15.
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 1 392 967 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 um.

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 um, de préférence inférieure à 200 um, 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 um 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

balais 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 résistivité électrique et au moins une couche, dite commutante, constituée d'un matériau présentant une plus forte résistivité 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 um.

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 ; - un traitement thermique de la pièce apte à entraîner sa cuisson.

La demande de brevet français FR 2 709 611 décrit un procédé de fabrication de balais multicouche susceptible d'être utilisé pour obtenir des balais selon l'invention.

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 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 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 conductivité, dite élevée, et une deuxième couche (3) ayant une deuxième conductivité, 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 conductivité élevée (2) du balai, soit directement (figure 1A), soit à travers la couche de faible conductivité (3) (figure 1 B).

La proportion de cuivre dans la couche de conductivité élevée est typiquement comprise entre 50 et 70 % en poids. Elle est typiquement comprise entre 2 et 30 % poids dans la couche de faible conductivité.

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 conductivité élevée est typiquement comprise entre 3 et 6 mm ; celle de la couche de faible conductivité 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, 11 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 1 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 Composition Essai Cu (%) Zn (%) Fe (%) Graphite+ liant (%) Additif (%) n°1 60à65 3à5 5à9 17à30 2à4 n°2 60à65 3à5 0 26à35 2à4 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 résistivité de la couche.

Le tableau Il donne les résultats des mesures et tests effectués sur ces balais. Ce tableau donne, pour chaque essai, la résistivité 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 20 000 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 Il

Essai p (µ#. cm) Vitesse (tr/mn) Dégradation Vie utile (cycles) n° 1 3 à 10 1600 4 % 40 000 à 50 000 n° 2 30 à 50 1580 10 % 15 000 à 25 000 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