THÈSE GRADE DE DOCTEUR

THÈSE
Présentée par Philippe CHAZALON
pour l’obtention du
GRADE DE DOCTEUR
École Doctorale : École Centrale Paris (ED287)
Spécialité : Sciences Pour l’Ingénieur
Laboratoire d’accueil : LISMMA (EA2336)
Étude des Variations de la Résistance Électrique du
Contact Balai - Bague de l’Alternateur
Soutenue le : 12/02/2013
Devant un jury composé de :
M. Rochdi EL ABDI Professeur des Universités Univ. Rennes 1 Rapporteur
M. Hamid ZAIDI Professeur des Universités Univ. Poitiers Rapporteur
M. Philippe DUFRENOY Professeur des Universités Polytech’Lille Examinateur
M. Jean-Claude MIPO Docteur VALEO Examinateur
Mme Muriel QUILLIEN Maître de Conférences SUPMECA Co-encadrante
M. François ROBBE-VALLOIRE Professeur des Universités SUPMECA Directeur de thèse
M. Grégory GODEFROY Chef de Projet VALEO Invité
2012 - N°ordre

Etude des Variations de la Résistance Electrique
du
Contact Balai - Bague de l’Alternateur
Philippe CHAZALON
10 janvier 2013

«Il y a toujours deux raisons pour faire quelque chose : une bonne raison et la vraie raison »
Dale Carnegie, 1888-1955.
«Il ne faut pas juger un homme par ce qu’il ignore, mais par ce qu’il sait »
Luc de Clapiers, Marquis de Vauvenargues, 1715-1747.
2

Résumé
Dans une automobile, les composants électriques sont alimentés par un type de généra-
teur électrique particulier : l’Alternateur. Entraîné par le moteur du véhicule, il lui prélève
donc de la puissance mécanique. Dans les périodes de chasse au gramme de CO2que nous
connaissons, la puissance prélevée au moteur doit être minimisée pour ne pas pénaliser sa
consommation. Or les besoins électriques du réseau de bord et des systèmes (éclairage,
ventilation, servitudes, contrôle moteur, etc.) sont imposés par l’équipement du véhicule !
Il est apparu que dans les cas où l’alternateur est fortement sollicité, des pertes de perfor-
mances peuvent être imputées au circuit d’excitation de la machine. Il comporte deux contacts
électriques glissants balai-bague qui ont été incriminés. Du point de vue théorique aucun
élément ne permettait d’expliquer les augmentations brutales de résistance de ces contacts,
nous avons donc développé une méthode de mesure originale destinée à rechercher des
paramètres influents sur leurs variations. Il nous a été impossible de faire une mesure de
l’épaisseur film de transfert et d’identifier les quantités de graphite, nature et quantité des
oxydes en présence dans le film. Cependant, nous avons estimé la pertinence de l’hypothèse
du rôle de l’oxydation et avons surtout pu isoler le rôle du film de transfert dans l’expression
des résistances de contact. Nous avons, de plus, mis en évidence la corrélation existant entre
les résistances de contact et le coefficient de frottement pour les deux contacts.
Mots-Clefs :
Tribologie, Tribo-Électricité, Contacts Électriques Glissants, Balais, Graphite, Cuivre, Alter-
nateur, Générateur de Courant, Résistance de Contact, Frottement,
Abstract
The Alternator is an electrical generator specifically designed to supply power to the
electrical components of a vehicle. It is driven by the engine, taking off part of its power in
the process. Currently, eco-friendly policies lead car makers to hunt down power losses of
this device in order to save fuel and reduce CO2emissions. However, the electrical needs
depend only on the ever increasing demand of the vehicle electronic equipment. When the
alternator runs at full load, the performance could sometimes be diminished by unpredic-
table resistance changes in the electrical sliding contacts of the excitation circuit, increasing
power consumption. No theory capable of explaining these phenomena was found in the lit-
terature. The analysis limits were reached when confronted to the measurement of transfer
film thickness and the determination of the amount of graphite, and the volume and nature
of oxides in the film. An experimental method and a dedicated software adapted to contact
resistance and friction measurements were developed to identify the influencing parameters.
We appreciated the relevancy of the oxidation hypothesis and we lead a study on transfer
films contribution to contact resistance. Moreover a significant correlation between contact
resistance and friction was established.
Key words :
Tribology, Electricity, Sliding Electrical Contacts, Carbon Brushes, Copper Ring, Alternator,
Current Generator, Contact Resistance, Friction,
3

Remerciements
Je tiens à remercier chaleureusement les personnes qui m’ont soutenu efficacement dans
le cadre de cette étude.
J’adresse mes meilleurs sentiments à ceux que j’ai cotoyés pendant ces années, au LISMMA
ou chez VALEO et qui, compagnons d’infortune, ont vécu avant ou après moi l’aventure de
la thèse. Je pense en tout premier lieu à S. Cautain et A. Vauquelin, mais aussi à J. Foune,
U. Guette, V. Vé, L-A. Tchoune, O. Lute, J. Rardin, A. Bdel, Li Li, R-I. Meno, et mes autres
camarades et collègues présents durant cette période.
4