BALAIS ET PORTE-BALAIS
L'ensemble constitué par les balais et les porte^balais doit remplir certaines conditions mécaniques et électriques qui ont été formulées comme suit par Silvanus Thomson :
1. — Les balais doivent être maintenus fermement et reliés à leur circuit par un bon contact métallique.
2. — Les porte-balais doivent permettre d'avancer ou de reculer les balais à volonté.
3. — Les balais doivent être montés de manière à toucher sous un angle convenable la surface du collecteur.
4. — Ils doivent porter sur le collecteur avec une pression convenable ; s'ils ne sont pas assez serrés ils sautent et donnent lieu à des étincelles ; s'ils le sont trop ils creusent des rainures dans le collecteur,
5. — Les porte-balais doivent permettre de soulever les balais.
6. — Ils doivent également permettre de maintenir les balais hors contact, au moyen d'un encliquetage mécanique.
7. Pour toutes les machines fonctionnant au-dessus de 100 volts, des poignées isolées doivent permettre de relever et d'ajuster les balais sans risque de commotion.
8. — L'isolation des balais ou d'un balai et de son porte-balai doit être absolue.
Nombre de balais. — Il n'existe pas de règle qui détermine le nombre de balais à appliquer de part et d'autre de l'induit.
Sauf, pour les petites machines^ on a pris l'habitude d'en juxtaposer plusieurs au lieu d'un seul, d'une largeur égale à celle de leur ensemble.
Cette disposition présente plusieurs avantages : tout d'abord la destruction d'un balai n'entraîne pas le remplacement de leur ensemble, puis^ même pendant la marche, on peut en retirer un, le réparer et le remettre en place sans arrêter la machine. En outre, l'usure du collecteur se fait plus régulièrement.
Il n'existe pas non plus de formule permettant de déterminer les dimensions à donner aux balais d'une machine produisant un certain courant : on admet généralement que la largeur du balai devra être de 2,5 centimètres par centaine d'ampères de débit.
Dans le cas de balais à application oblique, la section oblique portant sur le collecteur devra avoir une largeur supérieure à l'intervalle de deux touches; chaque section de Tinduit doit, en effet, pouvoir être mise en court circuit pendant un instant^ pour que le sens du courant puisse être renversé. Les balais de cette catégorie ne doivent pas non plus être trop épais, autrement ils s'échauffent sous Tinfluence de la différence de potentiel existante entre les touches du collecteur en contact avec la partie avant du balai et celles en contact avec la partie arrière. Décalage des Balais. — Dans une dynamo parfaite la ligne neutre est placée symétriquement aux pôles magnétiques.
Nous la désignerons par n«' daas le schéma 31 d'une dynamo bipolaire, dont les inducteurs sont P. P' — l'induit I et l'arbre de rotation a.
Mais en réalité, par suite de la réaction de l'induit sur le champ développé parP. P', la ligne neutre est rejetée dans le sens du mouvement de rotation, en p. p'.
Si l'on plaçait les ba- ' lais sur les points d'in- i /^
tersection de n. n' avec le collecteur, on abîmerait rapidement collectenret balais par suite de la production d'étincelles et de plus on ne recueillerait qu'une partie du courant produit. '^ ^^ '
Si, au contraire, on „. ., „,
, , ,■.,,,. Fig. 51. —Décalage des balais.
place les balais a 1 intersection de p. p' et du
collecteur on aura le minimum d'étincelles aux balais et l'on recueillera le maximum de courant.
C'est donc sur p, p' que l'on devra placer les balais et l'on reconnaîtra que la position pp' est atteinte à ce que les étincelles aux balais seront réduites à leur minimum.
L'angle n. a. p. = a varie avec le débit demandé à la machine. On devra donc, pendant le service, surveiller les étincelles pour rectifier la position des balais, s'il y a lieu.
Balais. — L'évaluation des dimensions de cet accessoire d'une dynamo n'est pas indilTérente, car pas plus qu'un balai trop mince, un balai trop épais ne donne de bons résultats. Nous avons vu plus haut qu'aucune rè-
gle fixe ne permettait d'en déterminer les dimensions.
Toute question de dimensions miae à part, la nature des matières appliquées à cette construction et leur utilisation varient souvent d'un constructeur à l'autre, et nous ne retiendrons que les dispositions les plus généralement employées aujourd'hui.
Balais en fil métallique. — Des fils de cuivre droits, juxtaposés, sont soudés par Tune de leurs extrémités, et maintenus dans une gatne métallique. Ils reposent à plat sur le collecteur (fig. 52).
La section du balai est rectangulaire.
Fig. 52. — Balai en fils métalliques.
Lorsque les fils de l'extrémité libre du balai s'écartent, on peut les ramener en entourant le balai d'une sorte de ceinture formée d'un ou deux fils tordus ensemble et bouclés sur la face supérieure.
Balais en peipie. — Ce genre de balais assez répandu en Amérique est employé de préférence aux autres avec les machines à courants redressée fig. 53.
Chaque balai est constitué par un assemblage de
Fig. 53. — Balai en peigne.
longues lames de cuivre fendues -suivant leur longueur afin d'assurer le contact sur plusieurs points du collecteur.
Le balai est appliqué tangentiellement au collecteur. Balais en toile métallique. — Très employés, ces balais sont formés par une bande de toile métallique enroulée sur elle-même de façon à former un prisme rectangulaire, puis, comprimée et maintenue dans une bague (fîg. 54).
Pour éviter Teffilochement et régulariser Tusure, la
Fig. 54. — Balai en toile métallique.
toile est enroulée obliquement.
Balais en charbon, — Préconisé par le professeur Forbes ce système est assez répandu.
Chaque balai est formé d'un bloc de charbon bon conducteur et de grain aussi fin que possible.
Le bloc porte sur le collecteur par l'une de ses bases taillée en biseau, soit normalement, soit obliquement.
Balais feuilletés. — Edison a fait des balais formés d'une série de lames superposées, soudées entre elles à Tune de leur extrémités (fig. 55).
Le balai porte sur le collecteur par l'une de ses extré-
Fig. 55. — Balai feuilleté Edison.
mités taillée en biseau, les lames étant placées de champ ; d'autres balais ont été faits aussi par l'assemblage de
lames mélalliques, mais ils étaient posés à plat sur le collecteur.
Balai feuilleté Bordeaux. — Le balai est comme son nom l'indique, composé de feuilles de métal dont répaisseur n'est pas plus grande que celle du papier le plus mince. Les feuilles métalliques employées ont ordinairement 2 centièmes de millimètre d^épaisseur ; elles sont pliées ou plissées à la largeur du balai, en quantité nécessaire pour donner à celui-ci l'épaisseur demandée. Chaque millimètre de section contient de 40 à 50 feuilles, suivant la pression qui a été faite dans des matrices assez résistantes pour supporter un effort considérable.
Le balai feuilleté, ainsi constitué, possède deux avantages : 1^ très grande conductibilité ; 2° douceur de frottement sur le collecteur.
La conductibilité du balai feuilleté est égale à celle du métal qui le constitue, d'ailleurs sa densité est très proche de celle d'une barre en même métal fondu. A ce point de vue aucun balai ne peut lui être comparé, si fine qu'une toile métallique soit tissée, les vides laissés par le tissage ont pour effet de donner au balai de toile un poids spécifique deux fois plus petit que celui du balai feuilleté. Au point de vue électrique, cette grande conduclibllité a une importance primordiale, parce qu'elle permet de diminuer l'épaisseur des balais dans le rapport de 2 à 1.
La grande conductibilité des balais feuilletés, et par suite leur faible épaisseur permet de ne mettre certainement en court circuit que deux bobines de l'induit.
Il est utile d'insister sur la douceur de frottement exercée sur le collecteur par le balais feuilleté ; cette propriété est
MACHINES DYNAMO-KLECTBiyUES 151
la conséquence du mode de construction, car en laminant le métal aussi mince que possible, on détruit les propriétés inhérentes au métal même.
L'assemblage de ces feuilles constitue une sorte de coussin métallique qui, tout en possédant la même conductibilité qu'une barre fondue de même section, annule le frottement qui résulterait de l'emploi d'un balai autrement composé. Le choix du métal n'est pas indifférent; le cuivre en est la base principale. Allié au zinc ou au nickel, il peut donner des alliages ayant une malléabilité suffisante pour en permettre le laminage à deux centièmes de millimètre.
L'important est d'employer des métaux d'une grande pureté. Le laminage, à d'aussi faibles épaisseurs, présente certaines diflicullés, et on est obligé, à partir du dixième de millimètre, de passer par dix ou douze laminages et recuits successifs pour obtenir l'épaisseur voulue, c'est d'ailleurs ce qui explique le prix élevé de la matière première.
Position des balais. — Suivant que les balais seront à application tangentielle, oblique ou à contre sens, leur position par rapport au collecteur sera différente.
Balais tangents. — Le balai doit dépasser (fig.36)le collecteurde 4 k 3 millimètres et 6tre suffisamment relevi' pour ne pas porter sur plus de deux touches ou en accrocher les bords. ~~ ~.
Lafig. M indique cette disposition. ^^|,iîiairianBlL'ir Balais obliques. — Ces balais reposent sur le collecteur par une extrémité taillée en biseau, généralement h iû» par rapport à leurs grandes
lo2
Fig. 57. — Position des balais obliques.
faces : il s*en suit que le balai est lai même incliné à
45** sur rhorizontale comme on peut le voir sur la fîg. 57.
Balais à contre sens, — Celte disposition est spécialement adoptée pour les balais en charbon.
Au début, on les montait normalement au collecteur, et le bloc de charbon guidé par une coulisse portait sur les touches par Tune de ses bases.
Aujourd'hui on préfère les placer à contre sens du
mouvement de rotation pour augmenter la pression sur le collecteur.
La fig. 58 montre cette disposition.
-— Généralement un
Fig. 58. — Position des balais à contre resSOrt à boudinS
presse sur le bloc de charbon et assure 'son application sur la surface du
collecteur.
PoRTE-BALAis. — Ou désigne sous cette dénomination l'ensemble des parties de la dynamo qui soutiennent les balais.
Les porte-balais, généralement montés sur le palier du côté du collecteur, doivent être soigneusement isolés du reste de la machine.
Au début, ce n'était qu'un simple ressort recourbé auquel on fixait le balai, *mais depuis on a reconnu qu'une disposition aussi simple ne remplissait pas
MACHINES DYxNAMO-ÉLEGTftIQUES 1-33
les conditions voulues pour un bon fonctionnement.
Actuellement, si simples que soient les dispositions adoptées, les porte-balais sont toujours mobiles sur une circonférence concentrique à Taxe de rotation.
On a été amené à placer la gaine porte-balais sur un bras fixé à un collier métallique monté lui-même autour d'une couronne de porcelaine concentrique a Tarbre de rotation et fixée à demeure sur le palier de la machine. On arrête le collier, et partant les balais, dans une position déterminée, en agissant sur une clef dont la tige filetée traverse le collier et bute sur la couronne de porcelaine.
Les différents constructeurs ont plus ou moins modifié le détail de l'établissement des porte -balais et perfectionné cet organe en rendant possible des. déplacements des balais dans différents sens, mais le principe de la construction reste toujours le même.
Porte-balais. Siemens Halske, — Très répandu, ce système a l'avantage d'être simple et de rendre de bons services (fig. 59). .
La gaine g du balai b est fixée à l'extrémité r d'un ressort formé de plusieurs lames de laiton écroui.
Le serrage du balai dans la gaine est obtenu par un clef c.
Le ressort est fixé lui-même sur un manchon m muni d'une poignée p ; ce manchon peut glisser^ le Fig. 59. — Porte-balais Siemens et Halske.
Ipn^ d'un axe|^fixe a.
Une vis de serrage v permet d'assurer la position de l'ensemble sous telle inclinaison que Ton veut.
Au moyen de cette disposition, on peut donc prome-* ner le balai le long du collecteur^ et varier sa pression sur le collecteur en lui donnant une inclinaison plus ou moins grande.
L'axe qui supporte l'ensemble est mobile sur une circonférence concentrique au collecteur pour opérer le décalage, s'il y a lieu.
La maison Siemens applique ce dispositif sur toutes les machines y compris celle dont le collecteur est formé par l'induit lui-même.
Porte-balais Edison» — La gaine g est placée à
l'extrémité d'un bras L solidaire d'un manchon M qui
peut tourner autour de l'arbre a bien qu'il en soit
isolé (fig. 60). >
Cet arbre a porte un bras B dont l'extrémité libre
taraudée reçoit une tige i filetée et à tête moletée .
Un ressort r réunit l'extrémité de la tîge t au bras L et permet de
Fig. 60. - Porte-balais Edison. presser plus
OU moins le balai b sur le collecteur.
Porte-balais Thury. — Le dispositif adopté par M. Thury, bien qu'un peu compliqué, permet de modifier l'angle de décalage des balais en agissant simultanément
MACHINES DYNAMO -ELECTRIQUES
sur les balais positifs et les balais négatifs ; il permet en outre de régler séparément la pression sur le collecteur de chaque balai ou jeu de balais.
Les balais b sont montés dans des gaines g et serrés par des clefs c ; ces gaines sont fixées à Textrémité des bras / mobiles autour des axes a ; des ressorts r tendent à presser les balais sur le collecteur G. Les bras /^ sont
Fig. 61. — Porte-balais Thury,
mobiles autour des axes e\ leur extrémité libre v est taillée circulairement et porte des dents d'engrenage.
Les axes e sont montés sur un collier D fixé à l'un des paliers de la machine dont il est soigneusement isolé.
Le collier D porte deux vis sans fin t dont la tète est moletée et dont l'extrémité libre Vj est filetée et engrène avec V,
Il est muni en F d'un secteur denté engrenant par l'intermédiaire de la roue dentée R avec la vis sans fin V , que l'on manœuvre avec le volant H (fig. 61).
Le fonctionnement du porte-balai s'explique facilement.
156 L'ÉCLAlHAdE ÉLECTRIQUE
. Pour déplacer l'easfïinble des balais sur le collecteur, soit CD avant, soit en arrière, on agit sur le volantH, qui entraîne le collier et les porte-balais. On augmentera ou l'on diminuera la pression sur le collecteur en agissant sur les vis /.
Porte-balais extérieur Siemens-Halske. — La disposition suivante est appliquée aux machines dont le
Fig. 62. — Porte-balais extéi-ieuv Siemens-Halske.
collecteur est formé, comme on l'a vu précédemment, par la surface extérieure de l'enroulement induit.
Dans la figure 62 :
I représente l'anneau induit à grand diamètre et faibles dimensions latérales ; sur une section seulement
les barres de cuivre q^ partie intégrante de l'enroulement et faisant fonction de collecteur, sont représentées.
P un des paliers supportant Tarbre de rotation a.
b balais.
g gaines des balais. La gaine et son support sont les même's que dans le collecteur précité des mêmes constructeurs.
Les porie-balais proprement dits, au nombre de six, sont montés sur des bras / perpendiculaires au plan d'une étoile à six branches c dont ils sont isolés. Les rayons de l'étoile naissent d'une couronne circulaire mobile autour d'un manchon concentrique à a.
Le courant de chaque jeu de balais est amené à la borne correspondante de la machine par une barre h isolée de la masse.
Le déplacement de Tensemble des balais en vue d'un décalage s'opère en agissant sur un levier m, qui, par l'intermédiaire de la roue dentée o et d'engrenages non figurés, entraîne dans son mouvement l'étoile à six branches Cy et une autre étoile également à 6 branches mais de plus petit diamètre d montée aussi sur un manchon concentrique à a.
On fixe les balais dans la position défmitive en calant Fétoile c par la clef de serrage n.
Le rôle de l'étoile d consiste à modifier la pression des balais sur le collecteur. A cet effet, les bras de levier i clavetés sur les bras / qui maintiennent les portebalais peuvent coulisser sur des ergots s perpendiculaires au plan de l'étoile d et fixés à l'extrémité de chacun des bras d de la dite étoile.
Si, l'étoile c étant immobile, on fait tourner l'étoile d,
158 l'kglairage électrique
les bras i décrivent un arc de cercle et les balais seront soulevés ou abaissés suivant le sens du mouvement.
On commande le mouvement de Tétoile d par le levier p qui porte un secteur denté /, engrenant avec une roue dentée e qui agit directement sur Tétoile rf.
