Bürste für die Stromübertragung an elektrischen Maschinen Herkömmliche Kohlen- oder Metallbürsten sind, bei hohen relativen Geschwindigkeiten zwischen der Bürste und einer Berührungsfläche, für hohe Stromdichten von etwa 150 A/cm' nicht geeignet. Dabei ist insbesondere der Widerstand solcher Bürsten gegen Abnutzung unzurei chend.
In der USA-Patentschrift Nr. 3 382 387 wurde vorge schlagen, eine Bürste zu verwenden, welche aus nachgie bigen Drähten besteht, von denen jeder einzelne aus einem metallbeschichteten Graphit- oder Schmiermaterial in Pulverform besteht, welches das Schweissen des Drah tes am Schleifring oder einer anderen Stromübertragungs fläche verhindert. Dabei wurde gleichzeitig die Reibung herabgesetzt, während der elektrische Kontakt beibehal ten werden konnte. Das so gebildete Metallrohr, welches 40 % und mehr von der Querschnittsfläche des Drahtes ausmacht, bestimmt sowohl das elektrische Leitvermögen als auch die mechanische Festigkeit des Drahtes. Wegen des Gesamtdurchmessers und der Rohrdicke sind derartige Bürsten relativ steif und erfordern einen grossen Kontakt druck.
Demzufolge entsteht eine starke Abnützung so wohl an den Bürstendrähten als auch an der Stromüber tragungsfläche, welche von den Bürsten berührt wird. Fer ner ist die Anzahl Drähte pro Bürste relativ klein und des halb kann eine unvollständige Berührung zwischen nur einem oder zwei Drähten und der Berührungsfläche zu bedeutenden Schwankungen im Stromleitvermögen der Bürste führen.
Im Patentanspruch 1 des Hauptpatents wird zur Ver meidung dieser Mängel eine Bürste für die Stromübertra gung an elektrischen Maschinen vorgeschlagen, welche eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, sich gegenseitig berührenden Kohlen- oder Graphit-Fibern aufweist, wobei der Bürstenkörper eine quer zu den Fi- bern angeordnete Kontaktfläche besitzt und zumindest einige der Fibern über eine gewisse Länge, beginnend beim der Kontaktfläche zugewandten Ende, mit .einem Metallfilm aus elektrisch leitendem Material versehen sind.
Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wer den die einzelnen Fiber über ihre gesamte Länge mit einer Metallschicht versehen. Dabei hat man nun festge- stellt, dass, entgegen der Erwartung, der Hauptanteil des Stromes von der Metallschicht und nur ein kleiner Teil von den Kohlenstoffasern geführt wird.
Zweck der Erfindung ist somit, aufgrund der neuen Er kenntnis, die Bürste nach dem Hauptpatent weiter auszu bilden, um die Nachteile bestehender Ausführungen noch wirkungsvoller vermeiden zu können.
Die erfindungsgemässe Bürste für die Stromübertra gung an elektrischen Maschinen, mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, sich gegenseitig berüh renden nichtmetallischen Fibern, wobei der Bürstenkörper eine quer zu den Fibern angeordnete Kontaktfläche be sitzt und die Fibern mit einem Metallfilm aus elektrisch leitendem Material versehen sind, ist nun dadurch gekennzeichnet, dass die Fibern aus kohlenstofffreiem Material bestehen.
Bei dieser Ausführung werden die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Fibern vom nichtmetallischen Teil bestimmt, welcher eine hohe Festigkeit und eine hohe Flexibilität sowie einen sehr kleinen Durchmesser besitzt. Demzufolge ist nicht nur der erforderliche Kontaktdruck sondern auch die Abnutzung sowohl an den Bürsten als auch an der Übertragungsfläche klein. Ferner kann die Bürste bei einer gegebenen Fläche mehr Fibern aufneh men als es bei herkömmlichen Ausführungen der Fall ist. Demzufolge sind die Schwankungen im Stromleitvermö gen wegen fehlendem Kontaktdruckes einzelner Fibern kleiner als bei herkömmlichen Ausführungen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfin- dungsgemässen Bürste anhand der Zeichnung näher erläu tert. Es stellen dar: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer elektri schen Maschine mit einer Fiber-Bürste in Kontakt mit einer Stromübertragungsfläche; und Fig. 2 ein einzelnes Element der Bürste nach Fig. 1. In Fig. 1 ist eine Bürste 1 gezeigt, welche mit einer Stromübertragungsfläche 2 eines elektrischen Leiters 3 in Kontakt steht. Der Körper 3 kann z.
B. ein Schleifring- oder Kommutatorsegment einer dynamoelektrischen Ma schine oder eine endlose Schiene sein, von welcher die Bürste beispielsweise die Stromabnahme für Traktion;- zwecke besorgt.
Die Bürste 1 enthält eine Anzahl Elemente 4, welche entlang des grössten Teils ihrer Länge mittels eines metal lenen Gehäuses 5 miteinander in Kontakt gehalten wer den. Eine Litze 6 aus elektrischem Leitungsmaterial führt den Strom zu oder von der Bürste 1 zu den Wicklungen oder Klemme der Maschine.
Wie in Fig. 2 gezeigt, bestehen die einzelnen Elemente der Bürste 1 aus nichtmetallischen feuerfesten Fibern 7, welche mit einer Metallschicht 8 versehen ist. Der Durch messer jeder einzelnen Fiber ist kleiner als 0,012 mm und die Dicke der Metallschicht beträgt normalerweise 0,00075 mm und in der Regel nicht mehr als ein Zehntel des Fiberdurchmessers.
Das Fibermaterial besteht beispielsweise aus Bornitrid oder einem feuerfesten Oxyd, wie z. B. Aluminiumoxyd. Diese Materialien können durch bestimmte Verfahren zu zusammenhängenden Fibern mit hoher Festigkeit geformt werden. Derartige, ähnliche Verfahren sind in der Zeit schrift The Engineer , Vol. 221 vom 27. Mai 1966, Seite 815, beschrieben. Der betreffende Artikel High strength, high modulus, carbon fibres , d. h. Kohlenstoffasern mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul ist von W. West, L.N. Philips und W. Johnston verfasst. Ein solches Verfahren ist ausserdem in der britischen Patentschrift Nr. 1 110 791 beschrieben. Es ist ferner möglich, Glasfi- bern zu verwenden.
Der dünne Metallfilm kann mittels Elektroplattierung oder Aufdampfen im Vakuum aufgetragen werden. Dabei kann irgendein Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit, wie z. B. Silber oder eine Legierung eines Edelmetalles, wie z. B. Silber mit Kupfer, verwendet werden.
Bürsten der beschriebenen Art sind für Stromdichten von 150 A/cm' bei Geschwindigkeiten zwischen der Bür ste und der Stromübertragungsfläche von bis etwa 91,5 m/s verwendbar. Die Abnutzung der Bürste kann auf etwa 1 mm pro zurückgelegte 10" cm an der Stromübertra- gungsfläche reduziert werden, deren Abnutzung in der gleichen Grössenordnung liegt, und zwar bei etwa i mm pro 3 - 10' cm zurückgelegtem Weg.
Brush for power transmission in electrical machines Conventional carbon or metal brushes are, at high relative speeds between the brush and a contact surface, not suitable for high current densities of around 150 A / cm '. In particular, the resistance of such brushes to wear is inadequate.
In US Pat. No. 3,382,387 it was proposed to use a brush made of flexible wires, each of which consists of a metal-coated graphite or lubricating material in powder form, which allows the wire to be welded to the slip ring or another power transmission area prevented. At the same time, the friction was reduced while the electrical contact could be maintained. The metal tube thus formed, which accounts for 40% and more of the cross-sectional area of the wire, determines both the electrical conductivity and the mechanical strength of the wire. Because of the overall diameter and the tube thickness, such brushes are relatively stiff and require a large contact pressure.
As a result, there is strong wear on the brush wires as well as on the power transmission surface that is touched by the brushes. Furthermore, the number of wires per brush is relatively small and therefore incomplete contact between only one or two wires and the contact surface can lead to significant fluctuations in the current conductivity of the brush.
In claim 1 of the main patent, a brush for the power transmission on electrical machines is proposed to avoid these shortcomings, which has a plurality of mutually parallel, mutually touching carbon or graphite fibers, the brush body having a transverse to the fi bern arranged contact surface and at least some of the fibers over a certain length, starting at the end facing the contact surface, are provided with .einem metal film made of electrically conductive material.
According to a preferred embodiment, the individual fibers are provided with a metal layer over their entire length. It has now been found that, contrary to expectations, the main part of the current is carried by the metal layer and only a small part by the carbon fibers.
The purpose of the invention is therefore, due to the new knowledge, he further train trainees the brush according to the main patent in order to avoid the disadvantages of existing designs even more effectively.
The brush according to the invention for power transmission to electrical machines, with a plurality of parallel, mutually touching non-metallic fibers, the brush body has a contact surface arranged transversely to the fibers and the fibers are provided with a metal film made of electrically conductive material , is now characterized in that the fibers are made of carbon-free material.
In this design, the mechanical properties of the individual fibers are determined by the non-metallic part, which has high strength and flexibility as well as a very small diameter. As a result, not only the required contact pressure but also the wear on both the brushes and the transfer surface is small. Also, for a given area, the brush can hold more fibers than conventional designs. As a result, the fluctuations in current conduction are smaller than in conventional designs due to the lack of contact pressure of individual fibers.
An exemplary embodiment of the brush according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. 1 shows a longitudinal section through part of an electrical machine with a fiber brush in contact with a current transmission surface; and FIG. 2 shows an individual element of the brush according to FIG. 1. FIG. 1 shows a brush 1 which is in contact with a current transmission surface 2 of an electrical conductor 3. The body 3 can, for.
B. be a slip ring or commutator segment of a dynamoelectric Ma machine or an endless rail, from which the brush, for example, the power consumption for traction;
The brush 1 contains a number of elements 4 which are held in contact with one another along most of their length by means of a metal housing 5. A strand 6 of electrical conducting material carries the current to or from the brush 1 to the windings or terminals of the machine.
As shown in FIG. 2, the individual elements of the brush 1 consist of non-metallic refractory fibers 7 which are provided with a metal layer 8. The diameter of each individual fiber is less than 0.012 mm and the thickness of the metal layer is usually 0.00075 mm and usually no more than one tenth of the fiber diameter.
The fiber material consists for example of boron nitride or a refractory oxide, such as. B. alumina. These materials can be formed into coherent fibers of high strength by certain processes. Such, similar methods are in the journal The Engineer, Vol. 221 of May 27, 1966, page 815 described. The relevant article High strength, high modulus, carbon fibers, d. H. High strength, high elastic modulus carbon fibers are available from W. West, L.N. Philips and W. Johnston. Such a process is also described in British Patent No. 1,110,791. It is also possible to use glass fibers.
The thin metal film can be applied by electroplating or vacuum evaporation. Any metal with good electrical conductivity, such as. B. silver or an alloy of a noble metal, such as. B. silver with copper can be used.
Brushes of the type described can be used for current densities of 150 A / cm 'at speeds between the Bür ste and the current transfer surface of up to about 91.5 m / s. The wear of the brush can be reduced to about 1 mm per 10 "cm covered on the current transmission surface, the wear of which is in the same order of magnitude, namely to about 1 mm per 3 to 10 cm of distance covered.