CH642788A5

CH642788A5 - Buerstenanordnung an einer dynamoelektrischen maschine.

Info

Publication number: CH642788A5
Application number: CH1017278A
Authority: CH
Inventors: Leslie J Johnson; Lawrence E Moberly
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1977-09-30
Filing date: 1978-09-29
Publication date: 1984-04-30
Also published as: DE2841242A1; IT7841648A0; IT1104085B; ES473791A1; CA1123881A; FR2404938A1; GB2005483A; NL7809770A; FR2404938B1; SE7810235L; JPS5457604A

Description

Die Erfindung betrifft eine Bürstenanordnung an einer dynamoelektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Verwendung von festen Bürsten zur Stromabnahme 55 oder zur Übertragung von Strom bei Anordnungen, die relativ zueinander bewegliche Teile umfassen, wie beispielsweise Motoren oder Generatoren, hat sich als zuverlässig und ausreichend wirkungsvoll für viele kommerzielle und industrielle Anwendungen erwiesen. Mit der Entwicklung von verbesser- so ten elektrischen Maschinenkonstruktionen, insbesondere solchen, die supraleitende Erregerspulen aufweisen oder von homopolaren Maschinen mit hohen Nennwerten ergab sich jedoch die Notwendigkeit von verbesserten Anordnungen, die in der Lage sind, den Maschinenstrom wirkungsvoller abzu- &5 nehmen und zu übertragen. Diese Notwendigkeit beruht hauptsächlich darauf, dass viel grössere elektrische Ströme und Geschwindigkeiten erforderlich sind, um grössere Leistungen abzunehmen oder höhere Drehmomente zu übertragen, als es bisher möglich war.

Gegenwärtige Konstruktionen von festen Bürstenanordnungen arbeiten mit Ableitringen oder Kommutatorenanordnungen zusammen, die Stromdichten bis zu etwa 10 A/cm2 angemessen übertragen können, wobei Lebensdauerwerte von 0,5 bis 2 Jahre für die Bürsten typisch sind.

Diese Stromdichten beziehen sich auf Maschinen, die bei Umgebungsluft sowie mit herkömmlichen Geschwindigkeiten arbeiten, jedoch ist es bekannt, dass die Bürstenlebensdauer vervierfacht werden kann, indem Kohlebürsten bei Stromdichten von etwa 10 A/cm2 in einer Atmosphäre aus inertem Gas betrieben werden, wie beispielsweise in der Wasserstoffatmosphäre, die bei grossen Synchronkondensatoren verwendet werden.

Obwohl der Mechanismus bzw. das Phänomen, das mit der Stromübertragung über gleitende Oberflächen verbunden ist, bisher nicht genau verstanden wird, ist doch bekannt, dass der Grenzflächenwiderstand (elektrische Basis) sowie die Reibung (mechanische Basis) zwischen einem Schleifring oder einem Kommutatorsteg und den Bürsten sowie auch die Abnutzungsrate zwischen den sich berührenden Gliedern stark beeinflusst werden von der Art und von der Reaktivität der gasförmigen Atmosphäre, in der diese Teile arbeiten, wie auch von der Temperatur, bei der die Kontaktglieder arbeiten, insbesondere an deren Grenzfläche, ausserdem von den Eigenschaften der sich berührenden Materialien.

Hinsichtlich des Betriebs in einer gasförmigen Atmosphäre ist es bekannt, dass ein nicht vermeidbarer Metalloxidfilm auf Kollektoroberflächen während des Bürstenbetriebs in atmosphärischer Luft abgelagert wird. Diese spröden Oxidfilme sind bestenfalls halbleitend, mechanisch hart und abrieberzeugend, wenn sie während des normalen Gleitbetriebes abgerissen werden. Aus diesem Grunde führen sie zu verhältnismässig hohen unstabilen Kontaktspannungsabfällen und verhindern, dass eine optimal niedrige Bürstenreibung und Bürstenabnutzung erhalten wird.

Die Ablagerung derartiger Filme auf den Kollektoroberflächen kann dadurch verringert werden, dass das System in einer inerten Gasatmosphäre statt in Luft betrieben wird. Diese sauerstoffreien Umgebungen, die auch Kohlendioxid, Schwefelhexafluorid und Wasserstoff umfassen können, bewirken, dass die Kohlebürstenlebensdauer wirksam erhöht und die Kontaktspannungsabfälle erniedrigt werden, da die isolierenden und abrieberzeugenden harten Anlauffilme vermieden werden. Jedoch besteht gegenwärtig das Bedürfnis nach Bürsten für hohe Stromdichten, während die oben genannten Gasumgebungen bekanntermassen gute Ergebnisse nur bei den gegenwärtig benutzten Stromdichten liefern, d.h. bei Stromdichten von etwa 10 A/cm2. Auch hinsichtlich des Umgebungsfaktors, hinsichtlich des Druckes und der Zusammensetzung des Umgebungsgases, einschliesslich Zusätzen wie Wasserdampf, tragen zur Verringerung von Bürstenreibung und Abnutzung bei. Hohe Reibung und sehr hohe Abnutzung (Stauben) treten auf, wenn aneinander gleitende Kontaktpaare im Vakuum oder in trockenen Gasumgebungen arbeiten, wie beispielsweise in grossen Höhen.

Die Temperatur an der Bürsten-Schleifring-Grenzfläche beeinflusst auch direkt die Bürstenlebensdauer, da bei bestimmten Temperaturen für unterschiedliche Kohlebürstenmaterialien ein Stauben auftreten wird. Es scheint, dass die Desorption von Feuchtigkeit weg von den Kontaktoberflächen für jeden Feuchtigkeitszustand übermässig gross wird, wenn die kritische Temperatur erreicht wird, und dass dieser Zustand bei Anwendungen mit hohen Stromdichten beseitigt werden muss.

Offensichtlich besteht daher die Notwendigkeit Bürstenanordnungen zu schaffen, bei welchen die Bürsten eine län50

3

642 788

gere Lebensdauer erreichen und gleichzeitig Ströme durch die Bürsten übertragen können, die grössenordnungsmässig 10-bis 15mal grösser sind, als es mit gegenwärtigen Konstruktionen möglich ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige 5 Bürstenanordnung an einer dynamoelektrischen Maschine vorzuschlagen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 definiert. Ausführungsformen davon gehen aus den nachgeordneten abhängi- lu gen Ansprüchen hervor.

Die Bürstenanordnung gemäss der vorliegenden Erfindung benutzt somit ein Gasgemisch zur Reibungsverminderung, das unterschiedlichen Anwendungen bei beweglichen und stationären Kontaktgliedern anpassbar ist. Die Additive 15 werden bedarfsweise gewählt, je nachdem, ob die Anwendung eine Kommutierung erfordert, wie bei heteropolaren Maschinen, oder lediglich eine Stromübertragung, wie bei homopolaren Maschinen. Die Kontaktglieder werden in einer nicht oxidierenden Atmosphäre betrieben, die beispielsweise 20 Kohlendioxid enthält, wobei diese Umgebung die dampfförmige organische Substanz besitzt, um die Bürstenanordnung bei höheren Temperaturen, höheren Stromdichten und höheren Geschwindigkeiten betreiben zu können, als es mit herkömmlichen Systemen möglich ist. Um einen funkenfreien 25 Stromübergang sicherzustellen ist es zweckmässig, die Bürstenanordnung für Zwangskühlung auszulegen. Dadurch kann die Temperatur an der Grenzfläche der sich berührenden Bauteile auf verhältnismässig niedrigen Werten gehalten und so eine niedrige Reibung und niedrige Abnutzungsraten 30 der aufeinander gleitenden Kontaktglieder erzielt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht zur allge- 35 meinen Erläuterung einer Bürstenanordnung gemäss der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrösserte Partialdarstellung der Bürstenanordnung nach Fig. 1 ;

Fig. 3 eine Bürstenhalteranordnung mit Mitteln zum Küh- 40 len der Bürstenhalter mittels eines auf der Bürstenhalteroberfläche angeordneten Wärmeaustauschers ;

Fig. 4 eine Graphik zur Darstellung der Elektrographit-bürsten-Volumenabnutzung in Luft oder Kohlendioxid;

Fig. 5 eine Graphik zur Darstellung der durchschnittli- 45 chen mechanischen und elektrischen Bürstenkontakt-Energieverluste;

Fig. 6 eine Graphik zur Darstellung der Bürstenabnutzung für Bürsten aus Silbergraphit, Kupfergraphit und Graphit;

Fig. 7 eine Graphik zur Darstellung des Einflusses von 30 Dampfzusätzen auf den Kontaktspannungsabfall; und

Fig. 8 eine Graphik zur Darstellung des Einflusses von Dampfadditiven auf die Bürstenabnutzung.

In den Figuren bedeuten gleiche Bezugszahlen gleiche oder entsprechende Teile. In Fig. 1 und 2 ist ein homopolarer 55 Generator von moderner Konstruktion dargestellt, der eine Basis 10 besitzt, die einen Stator 12 und einen Rotor 14 trägt, die derart angeordnet sind, dass sie miteinander elektrodynamisch zusammenarbeiten. Da die Erfindung an jeder Art von dynamoelektrischer Maschine anwendbar ist, sind die 60

Maschinenbestandteile und die Konstruktion, die nicht direkt für die Erfindung von Bedeutung sind, nur allgemein dargestellt. Der Rotor 14 wird auf Lagern 16 gehalten, die an entge-gengesetzen Enden der Maschine angeordnet sind, und eine Kupplung 17 wird verwendet, um den Rotor mit einem pri- 65 mären Antrieb zu verbinden, wie beispielsweise mit einem Motor. Um eine geeignete Kühlung zu schaffen, ist der Rotor mit einem Einlass 18 versehen, der durch eine zentrale

Durchführung 20 und radial durch Durchbrüche 22 ein Kühlmittel von niedriger Temperatur hindurchführt, bevor das Kühlmittel durch Auslassdurchführungen zum Raum 24 und zum Auslass 26 zurückgeführt wird.

Der Stator enthält ein Paar Feldspulen 28 (nur eine ist dargestellt), die über geeignete Leiter erregt werden und durch Kühlmittelzufuhr- und Auslassröhren 30 gekühlt werden. Von der Maschine während des Betriebs erzeugter Strom wird über eine um den Umfang des Rotors herum angeordnete Leiterbüchse 32 zu einem Kommutator oder zu Schleifringen 33 sowie zur Stromkollektoranordnung 34 geleitet, die auf entgegengesetzten Enden des Stators montiert ist. Die Kollektorbürsten 44 sind mit zylindrischen Leitern 36 verbunden, die auf der inneren Oberfläche des Stators montiert sind und Strom über Anschlüsse 38 an eine Last liefern.

In Fig. 2 werden die Stromkollektoren in grösseren Einzelheiten dargestellt. Eine um den Umfang herum angeordnete Höhlung 40 ist im Statorkern 12 gebildet, welche zum Luftspalt hin durch einen isolierten Bürstenhalter 42 geschlossen ist. Der Bürstenhalter ist in geeigneter Weise durchbohrt oder durchfräst, um Öffnungen zu schaffen, die Bürsten 44 aufnehmen, wobei jede Bürste durch Federn 46 mit konstantem Druck mit den Rotorschleifringen 33 in Kontakt gebracht wird. Die Bürstennebenschlüsse 48 sind in üblicher Weise am Statorleiter 36 angeschraubt oder auf andere Weise befestigt. Um die Bürstenhalter, die an beiden Enden der Maschine angeordnet sind, in geeigneter Weise zu kühlen, erstrecken sich separate Kühlversorgungsröhren 50 durch entgegengesetzte Enden des Stators in die Höhlung 40. Diese Röhren sind entweder in die Bürstenhalteroberfläche eingebettet oder an dieser befestigt und erstrecken sich um diese umfangsmässig herum, bevor sie die Bürstenhalterhöhlung auf der anderen Seite der Maschine verlassen.

Da es der Maschinenwicklungsgrad erforderlich macht, dass die Bürsten auf einem Temperaturpegel arbeiten, der Staubbildung und wesentliche Lichtbogenbildung nicht zulässt, muss eine Wärmesenke für die Bürsten vorgesehen werden, um zu ermöglichen, dass die Wärme von den Bürsten durch Wärmeleitung abgeführt wird. Um dies zu erreichen, erleichtern die die Bürsten tragenden Bürstenhalter den Wärmeaustausch zwischen den Bürstenhaltern und einem Kühlmittel, das durch den Kühlmittelflüssigkeitseinlass 52 bzw. -auslass 54 fliesst, die vom Stator getragen werden. Vorzugsweise enthält der Bürstenhalter innere, den Durchflusskreis bildende Durchbrüche, die angrenzend oder nahe zu den Bürsten liegen, die im Kontakt mit den Kommutator- oder Schleifringoberflächen sind.

In der alternativen Anordnung gemäss Fig. 3 wird der Bürstenhalter 42 bezüglich des Schleifringes 33 in der Art der Fig. 1 gehalten, jedoch ist zusätzlich eine kreisförmige oder rechteckige Röhre 50 an der Bürstenhalteroberfläche ange-schweisst oder auf andere Weise angebracht.

Wie weiter oben angedeutet, wurde die vorliegende Erfindung durch die kürzlichen Konstruktionsänderungen bei dynamoelektrischen Maschinen angeregt, insbesondere durch die der homopolaren Generatoren, die Bürsten erfordern, die einen fortlaufenden Betrieb bei Stromdichten von 155 A/cm2 und mehr erfordern, und zwar bei höheren Gleitgeschwindigkeiten und bei erheblich verminderten Abnutzungsraten.

Diese erwünschten Betriebseigenschaften werden dadurch erreicht, dass der Bürsten-Schleifring-Grenzflächenwiderstand möglichst klein gemacht wird, welcher zu elektrischen Verlusten führt, weiterhin die Reibung zwischen Bürste und Schleifring möglichst klein gemacht wird, die zu mechanischen Verlusten führt, und indem die Bürstenabnutzungsraten möglichst klein gemacht werden. Um eine Verringerung der elektrischen und mechanischen Verluste zu erhalten, wurden spezielle Materialkombinationen für jeweilige Anwendungen

642 788

4

ausgewählt, wobei die Betriebsumgebung gegenüber der gegenwärtigen Praxis geändert wird und ausserdem die Kontaktglieder aktiv gekühlt werden. Unter Berücksichtigung der Kombination von Materialien zeigten erste Bürsten-Schleifring-Testdaten, dass dann, wenn Metall zu der Graphitbürstenmatrix hinzugefügt wurde, sich eine erhebliche Reduktion der elektrischen Komponente des gesamten Energieverlustes ergab. Eine Bestätigung dieses Effektes ergibt sich aus der folgenden Tabelle I und aus den Kurven der Fig. 4.

Tabelle I Bürsten-Ring-Testdaten Kupferring, 13 m/s Fläche einer Einzelbürste: 1 cm2 Feuchtigkeitszusatz Belastung: 7 N/cm2; 78 A/cm2

Bürsten

Gas

Reibungs

Kontaktspannungs

Energieverlust

Bürsten qualität umgebung koeffizient abfall in J/(cm2-m)

abnutzung

V

mech. elektr.

gesamt mmVMm

EG1*

Luft

0,17

0,66

0,34 0,48

0,82

2,32

EG1**

Luft

0,05

0,78

0,35 2,38

2,73

12,28

EG1

CO2

0,05

0,41

0,35 2,50

2,85

0,81

SGI

CO2

0,23

0,00

1,59 0,00

1,59

2,45

* Belastungen: 2 N/cm2,9 A/cm2 ** Belastung: 39 A/cm2

Diese Resultate (Tabelle I) zeigen, dass die Silbergraphitbürsten der Graduierung SGI, die 80 Gew.-% Silber enthalten, einen elektrischen Kontaktverlust von im wesentlichen 0 aufweisen, jedoch auf Kosten erhöhten mechanischen Verlustes. Der gesamte Energieverlust wurde jedoch in wünschenswerter Weise auf 56% des Verlustes reduziert, der sich für die EG-Bürsten ergibt, wobei beide Graduierungen unter den gleichen Lastbedingungen und in Kohlendioxid arbeiteten. Obwohl der gesamte Kontaktenergieverlust bei der SGI-Bürste reduziert war, war die Bürstenabnutzungsrate viel höher. Bezüglich herkömmlichen Betriebs von EG-Bürsten in Luft, ergab sich jedoch im wesentlichen die gleiche Lebensdauer, wenn die SG-Bürsten in einer Kohlendioxidumgebung betrieben wurden, selbst bei 8fach höherer Stromdichte. Ausserdem zeigten die SG-Bürsten eine 5fach verbesserte Lebensdauer gegenüber den EG-Bürsten, wenn der Laststrom der EG-Bürsten auf die Hälfte des Laststromes der SG-Bürsten gebracht wird. Vergleicht man nur EG-Bürsten miteinander, mit den gleichen Unterschieden in der Strombelastung, ergibt sich eine 15fache Lebensdauerverbesserung, wenn der Betrieb in Kohlendioxid statt in Luft erfolgte.

Die durch den Betrieb der oben angegebenen Bürsten erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass es wünschenswert ist, die Betriebseigenschaften von Mehrfachbürsten festzustellen, wie in der folgenden Tabelle angedeutet. Aus diesem Grunde wurden 24 im Handel erhältliche Metallgraphitbürstenmate-rialien untersucht. Viele dieser ausgewählten Materialien werden häufig für Bürsten benutzt, die bei industriellen und kommerziellen Anwendungen verwendet werden, und sie haben sich für herkömmliche Stromdichten und für den Betrieb in Luft als zufriedenstellend erwiesen. Das Bürstenmaterial enthielt Kupfer oder Silber als hauptsächlichen Metallzusatz. Sie wurden durch das Verfahren der pulvermetallurgischen Kom-paktierung und Sinterung hergestellt und repräsentieren einen Metallgehaltbereich, der von 60 bis 97 W/O Gew.-% Metall reicht.

Bürsten ungefährer

Bürsten ungefährer typ

Gew.-%-

typ

Gew.-%-

typ

Gew.-%-

Anteil von

Metall

W759

60

ME 1540 80

SG510

90

SG156

64

SG520

80

SG201

90

5004

65

SG216

80

W933

92

CM3B*

74

SM551

80

M91X

92

SG212

75

W795

85

C0157*

*93

SGI 42

75

SG515

85

CMO*

95

ANK**

75

SG202

85

W405

97.

ME1541 76

CM15*

90

728

97

* Morganite Carbon Co.

** National Carbon Co.

Sonstige: Stackpole Co.

45

Die Bürsten wurden in Kombination mit Kupferlegierungsschleifringen in einer angefeuchteten Kohlendioxidgasatmosphäre (20 °C Taupunkt) untersucht, bei Betriebsbedingungen von 78 A/cm2 durch die Bürste hindurch, was so äquivalent zu dem 1 Ofachen der herkömmlichen Bürsten-stromdichte ist. Die Bürsten wurden einer mechanischen Belastung von 7 bis 8 N/cm2 ausgesetzt, wobei die Schleifringgeschwindigkeit 13 bis 25 m/s betrug. Die Kontaktenergieverluste und die Bürstenabnutzung sind als Funktionen 55 des Bürstenmetallgehaltes in Fig. 5 und 6 aufgetragen.

Obwohl etwas Asymmetrie in der Kontaktwirkungsweise bei Bürsten entgegengesetzter Polarität gefunden wurde, sind in diesen Figuren für beide Polaritäten die Durchschnittsverluste und Abnutzungswerte angegeben. Viele der Messpunkte 60 repräsentieren den Durchschnitt von einer Anzahl von Duplikatdurchläufen. Abweichungen in den Daten werden vermutlich durch unterschiedliche Graphitbasismaterialien und unterschiedliche Bürstenherstellungsverfahren verursacht.

Es ist zu bemerken, dass die in Fig. 5 dargestellte obere 65 Kurve zeigt, dass die gesamten Kontaktenergieverluste (Energiedichte pro Einheit Gleitentfernung) minimal ist, wenn der Bürstenmetallgehalt nahe 80 W/O liegt. Die Kurve zeigt auch, dass der Gesamtverlust von der elektrischen Kompo

nente dominiert wird, wenn der Metallgehalt weniger als etwa 70 W/O beträgt, bei höheren Prozentwerten jedoch von der mechanischen Komponente. Dies zeigt deutlich die Notwendigkeit einer wirksamen Anwendung des Metalls in dem Bürstenmaterial. Es muss auch ausreichend Metall verwendet 5 werden, um eine hohe Leitfähigkeit zu erreichen, andererseits wird ein hoher Anteil Graphit notwendig, um niedrige Reibung oder gute Schmierung zu ermöglichen. Die Wirkungsweise von bestimmten Kupfer- und Silbergraphitbürstenqua-litäten mit vergleichbarem Metallgehalt ist offensichtlich ähn-10 lieh, wodurch die Vermutung nahegelegt wird, dass ein wirtschaftlicheres Arbeiten dadurch erreicht werden kann, dass Kupfer statt Silber hinzugefügt wird. Im allgemeinen zeigen jedoch die Kupfergraphitbürstenqualitäten geringere mechanische Verluste, d.h. einen niedrigeren Reibungskoeffizienten,15 als die Silbergraphitqualitäten, jedoch mit höheren elektrischen Verlusten, d.h. mit höherem Kontaktspannungsabfall und damit mit höheren Gesamtenergieverlusten.

Fig. 6 verdeutlicht, dass die Bürstenabnutzung, gemessen in Volumeneinheiten Abnutzung pro Einheit Gleitentfernung 20 sehr niedrig ist für kleine Metallzusätze. Im Bereich bis zu 65 W/O steigt die Abnutzung von 0,5 mmVMm bei Metallgehalt von 0 auf etwa 1 mmVMm an. Bei höheren Metallprozentanteilen steigt die Bürstenabnutzung scharf an, sie beträgt 3 mm3/Mm bei 75 W/O und 30 mmVMm bei 85 W/O. 25

Bezüglich des Einflusses der Temperatur auf die Bürstenabnutzung ist es bekannt, dass Elektrographitbürsten eine sehr hohe Abnutzung in der Form von Stauben zeigen, wenn die Bürsten bei zu hohen Temperaturen betrieben werden.

642 788

Die kritische Bürstenmaterialtemperatur, d.h. die Temperatur innerhalb der Bürste beträgt für Elektrographitbürsten 180 bis 220 °C, wenn die Bürsten in Kohlendioxidumgebung betrieben werden, die auf Taupunktwerte von 0 bzw. 20 °C angefeuchtet ist. Andererseits ist die Bürstenlebensdauer sehr lang, wenn die Bürstentemperatur unter diesen kritischen Werten gehalten wird. Es wird angenommen, dass der Grund für das Stauben darin liegt, dass die Desorption von Feuchtigkeit von den Kontaktgegenflächengraphitstellen übermässig wird, wenn die kritische Temperatur für den jeweiligen Feuchtigkeitszustand erreicht wird. Es gibt unbefriedigte Oberflächenenergien, die zu übermässigen Adhäsionskräften zwischen den Kontaktgliedern führen und somit eine erhöhte Reibung und hohe Abnutzung erzeugen. Es ist daher klar,

dass für Anwendungen mit hohen Stromdichten ausreichende Kühlung der gleitenden Bürstenkontakte wichtig ist und die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Konstruktion soll diese Kühlfunktion ermöglichen.

Um den Einfluss der Schleifring- oder Kommutatormaterialien auf das Stromübertragungssystem in richtiger Weise zu berücksichtigen, wurden 19 unterschiedliche Schleifringmaterialien in Kombination mit Kupfergraphitbürsten untersucht. Die Ringmaterialien umfassten Kupfer, Silber, hochfeste, hochleitende Kupferlegierungen, Graphit, Nickel, Nickellegierungen, Bronzen mit hohem Zinkgehalt und Stähle. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Betriebsbedingungen und die Testbetriebsergebnisse für jedes der untersuchten Schleifringmaterialien:

Tabelle II

Wirkungsweise von ausgewählten Schleifringmaterialien Untersuchungsbedingungen: Fläche einer Einzelbürste: 1 cm2 Kohlendioxidatmosphäre zwei Bürsten pro Satz Feuchtigkeitszusatz (20 °C Taupunkt)

Stromdichte: 78 A/cm2 Ringgeschwindigkeit 15 m/s

Lastdruck 8 N/cm2 Kupfergraphitbürsten

Schleifring- Einzelbürsten- Reibungskoeffizient, Energieverlustdichte, Bürstenhalter- Bürsten-

material Spannungsabfall, u J/cm2-m temperatur, abnutzung,

Vi °C mmVMm

Stahl, Graduierung C

0,74

0,14

4,86

157

1,72

K Monel-S

0,82

0,09

4,82

169

<0,15

316-S/Stahl

0,74

0,10

4,50

165

20,97

35 Zn Bronze

0,58

0,11

3,81

123

2,29

45 Ni/55 Cu

0,54

0,08

3,34

136

0,55

30 Ni/70 Cu

0,53

0,08

3,31

136

0,59

3 Werkzeugstahl

0,39

0,15

3,15

119

13,20

Monel

0,49

0,07

3,00

127

0,99

Nickel

0,38

0,10

2,73

108

0,25

Graphit

0,26

0,13

2,36

96

0,10

Ag plattiertes Cu

0,14

0,18

2,17

97

0,20

Zr Cu

0,07

0,21

2,05

92

0,20

15 Ni/85 Cu

0,12

0,17

2,00

90

0,40

Cu (Ag-haltig)

0,10

0,19

2,00

85

<0,15

8 Sn/4 Zn/Cu

0,07

0,20

1,98

93

0,20

Cupaloy

0,11

0,17

1,97

88

0,20

OFHC Cu

0,07

0,19

1,91

92

0,30

PD 135 Cu

0,06

0,19

1,85

90

<0,15

KR Monel

0,13

0,15

1,82

92r

0,25

Im allgemeinen zeigen die Testergebnisse, dass die niedrigsten Nettoleistungsverluste und die längsten Lebensdauern dann erreicht wurden, wenn die kupferhaltigen Graphittestbürsten auf Kupfer, superfesten Kupferlegierungen und mit

65 Silber auf der Oberfläche versehenen Kollektorringen betrieben wurden. Obwohl niedrigere Reibungskoeffizienten den Betrieb auf Nickel kennzeichneten, zeigten Stahlmetallringe mit hohem Nickelgehalt höhere Kontaktwiderstände (Span

642 788

6

nungsabfälle) und führten daher zu relativ höheren Gesamtenergieverlusten. Es ist zu bemerken, dass KR Monel eine Ausnahme zu sein scheint, weil das Material einen niedrigen Kontaktspannungsabfall mit mittlerer Reibung verbindet, um so niedrigen Energieverlust und niedrige Bürstenabnutzung zu liefern. Die Abnutzung der Bürsten war erheblich höher, wenn sie mit Stahlringen und Bronzemetallringen von hohem Zinkgehalt kombiniert wurden.

Aus den Untersuchungen von sowohl den Bürsten als auch den Schleifringen in einem Stromübertragungssystem können eine Reihe von Schlüssen gezogen werden:

1. Die gegenwärtig benutzte Bürstenstromdichte von 10 A/cm2 lässt sich zumindest verachtfachen, wenn die Bürsten in einer angefeuchteten CCh-Gasumgebung betrieben werden.

2. Basierend auf den Ergebnissen der Testuntersuchungen kann zumindest eine Verfünfzehnfachung der Bürstenlebensdauer erreicht werden, wenn Elektrographitbürsten in einer CCh-Umgebung betrieben werden, anstatt in Luft, selbst wenn die Stromdichte gegenüber den herkömmlichen Werten verachtfacht wird.

3. Der gesamte Kontaktenergieverlust wird erheblich-verringert (um 44%), wenn zu einer Graphitbürstenmatrix Silber hinzugefügt wird. Gleiche Lebensdauer wurde bei Silbergraphitbürsten erreicht, die in einer CCh-Umgebung arbeiten, verglichen mit herkömmlichen elektrographitischen Bürsten, die in Luft arbeiten, selbst wenn die Stromdichte gegenüber den herkömmlichen Werten verachtfacht wurde.

4. Basierend auf den obigen Untersuchungen lässt sich sagen, dass im Handel erhältliche Graphitbürsten, die 65 bis 75 W/O Silber enthalten, die optimale Kombination von Bürstenmaterialien für den Dauerbetrieb bei Maschinen mit hohen Stromdichten sind.

5. Die Schleifringmaterialuntersuchungen zeigen, dass hochfeste und hochleitfähige Kupferlegierungen die besten Kandidaten für die gewünschten Kontaktsysteme für hohe Stromdichen sind. Kupfergraphitbürsten kombiniert mit Ringen dieser Art lieferten niedrigere Energieverluste und niedrigere Abnutzungskennwerte gegenüber der Kombination mit Ringmaterialien wie Nickel, Bronze mit hohem Zinkgehalt und Stahl.

• Es scheint wichtig zu sein, anzumerken, dass der Film auf dem Schleifring erheblich zu der sehr niedrigen Abnutzung von Elektrographitbürsten in Kohlendioxidumgebungen beiträgt. Der Kupferschleifring wird anfänglich gesäubert und dann ein sehr leichter Graphitfilm auf den Schleifring von den Bürsten während der ersten wenigen Umdrehungen des Schleifringes aufgebracht. Der Film ist schwierig durch Lichtuntersuchung zu erkennen und ändert sich danach nicht merklich. Die elektrische Leitung über der Bürsten-Schleif-ring-Grenzfläche wird im wesentlichen durch den Bürsteneinschnürungswiderstand begrenzt, der sich direkt mit dem Widerstandswert ändert. Da nur sehr geringe Abnutzung auftrat, während die Betriebsdurchläufe gemacht wurden, wird angenommen, dass eine Festkörper-auf-Festkörper-Berüh-rung des Bürsten-Ring-Kontaktes durch adsorbierte Dampfund/oder Gasfilme verhindert wird. Graphit, der auf den Schleifring übertragen wird, sowie Graphit auf der Bürsten-frontfläche dienen als hochaffine Adsorptionsstellen für Umgebungsgasdämpfe. Somit tritt ein Bürstengleiten auf sehr dünnen quasi fluiden Filmen auf. Es tritt ein Reibungsluftwiderstand auf, während diese Filme geschert werden oder während Grpahitkristallite dazu gebracht werden, aufeinander sich zu verschieben, während eine relative Bewegung zwischen dem Ring und den Bürsten stattfindet.

Zusätzlich zu den Bürsten- und Schleifringmaterialien wurden noch 5 unterschiedliche nichtoxidierende Gasatmosphären bezüglich ihres Einflusses auf die Bürstenwirkungsweise untersucht, einschliesslich Schwefelhexafluorid. Die

Untersuchungen wurden mit zwei Silbergraphitbürsten in Kombination mit einem Kupferschleifring durchgeführt, die unter ähnlichen Bedingungen in jedem der Gase betrieben wurden. Ähnliche Bürsten wurden auch in Luft betrieben, um einen Vergleich mit einem oxidierenden Gas zu erhalten. Es wurden Gase von Laboratoriumsqualität für die Experimente verwendet, jedes Gas mit Taupunkten von weniger als — 68 ° C vor der Aufnahme von absichtlichen Feuchtigkeitszusätzen (0°C Taupunkt) kurz vor dem Eintritt in die Bürsten-Ring-Untersuchungsumschliessung. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle III dargestellt. Es ist zu bemerken, dass die gewünschte Bürstenwirkungsweise durch niedrige Energieverluste und niedrige Bürstenabnutzung gekennzeichnet ist. Der Nettoeffekt des elektrischen Verlustes (Kontaktspannungsabfall) und des mechanischen Verlustes (Reibungskoeffizient) pro Einheit der durchfahrenen Entfernung spiegelt sich in den dargestellten Energieverlusteigenschaften.

Tabelle III Effekte des Umgebungsgases Bürsten der Graduierung SG 2 (1 cmVBürste), Kupferring (13 m/s)

Bürstenbelastungen: 78 A/cm2, 8 N/cm2 Bürstenmaterialtemperaturbereich : 67-80 ° C

Gas*

Kontakt

Reibungs

Energie

Bürsten

spannungs-

koeffizient,

verlust,

abnutzung,

abfall,

J/cm2-m mmVMm

V

Luft

0,00

0,34

2,3

23,3

CO2

0,03

0,18

1,6

3,2

SFe

0,18

0,10

1,9

2,2

N2

0,17

0,06

1,6

1,5

He

0,26

0,06

2,1

1,3

Ar

0,17

0,06

1,5

0,7

* ungefährer Gesamtdruck des Gases: 1 bar Teildruck des Feuchtigkeitszusatzes: 600 Pa.

Die Bürstenwirkungsweise, ausgedrückt in dem gewünschten niedrigen Energieverlust und der niedrigen Abnutzung, ist erheblich besser in jeder der fünf angefeuchteten nichtoxidierenden Gasatmosphären als in Luft. Ein sehr niedriger Reibungskoeffizient (0,06), niedrigste Energieverluste (1,5 J/cm2-m) und niedrigste Abnutzung (0,7 mmVMm) wurden gemessen, wenn die Testbürsten in einer Argongasumgebung betrieben wurden. Der Bürstenkontaktspannungsabfall war sehr niedrig (0,03 V) in einer Kohlendioxidgasumgebung, jedoch war dieser Spannungsabfall 6- bis 9mal höher in anderen Gasen. Die niedrigste Kontaktspannung wurde bei Kohlendioxid erreicht, jedoch wurde dieser Vorteil wieder aufgehoben durch einen höheren Reibungskoeffizienten (0,18) und höhere Bürstenabnutzung (3,2 mmVMm).

Dynamische Bürstenbetriebsuntersuchungen wurden mit fünf unterschiedlichen Kohlenwasserstoffdampfzusätzen als Beispiele durchgeführt, um das Grenzflächenmodell zu unterstützen, und zwar hinsichtlich des Einflusses auf den Kontaktspannungsabfall (Widerstand) und auf die Abnutzungseigenschaften von Silbergraphitbürsten, die auf einem Kupferschleifring in einer «knochentrockenen» Kohlendioxidgasatmosphäre arbeiteten.

Organische Dämpfe umfassen Alkan, Alkohol, Keton, Aldehyd und cycloparaffinische Materialien, ausgewählt aus paraffinischen (alkanen) Kohlenwasserstoffen mit 7 bis 16

5

tu

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

642 788

Kohlenstoffatomen pro Molekül, wie beispielsweise Heptan, OHi6, Dodecan C12H26, Hexadecan C16H34 u. dgl. ; Alkohole mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen wie beispielsweise Heptanol OHisOH, Decanol C10H21OH u. dgl.: Ketone mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise 2-Heptanon (Amyl-Methyl-Keton) CI-hCO(CH2)4CH3, 2-Decanon (Methyl-Octyl-Keton) CHîCOCsHit u. dgl.; Aldehyde mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen wie beispielsweise n-Heptaldehyd (Enanthaldehyd) CH3(CH2)sCHO, n-Decylaldehyd (Capr-aldehyd) CH3(CH2)sCHO u. dgl.; und die cycloparaffinische Verbindung Decalin (Decahydro-Naphthalen) CioHis, sowie Mischungen davon. Obwohl diese Materialien viele Isomere enthalten, werden die geradkettigen, normalen (n-) einfachen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen Formen vorgezogen,

weil angenommen wird, dass sie sich besser an die Graphitmaterialien anheften. Bei Kohlenwasserstoffen mit weniger als 7 oder mehr als 16 Kohlenstoffatomen ergeben sich Anhaftprobleme. Die günstigsten Materialien sind n-paraffi-nische Kohlenwasserstoffe mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen.

Wasserdampf wurde auch zu Bezugszwecken untersucht. Alle Kohlenwassertoffadditive waren bei Raumtemperatur flüssig. Die Dämpfe wurden in das fortlaufend zugeführte Testgas (CO2) dadurch eingeführt, dass das Kohlenstoffgas durch das entweder auf 0° oder auf 25° gehaltene Kohlenwasserstoffadditiv blasenförmig hindurchgeführt wurde. Andere Dampfkonzentrationen wurden dadurch erhalten, dass Teile von angefeuchteten und trockenen Strömen des Testgases gemischt wurden. Der gesamte Umgebungsgasdruck wurde nahe 1 bar gehalten. Die Betriebsbedingungen, die Testdampfadditive und die Bürste-Ring-Betriebseigen-schaften sind in Fig. 7 und 8 wiedergegeben. Diese Versuche wurden in einer C02-Umgebung mit einem Gesamtdruck von etwa 1 bar durchgeführt, wobei Silbergraphitbürsten mit einer Fläche von 1 cm2 und Kupferringe mit einer Geschwindigkeit von 13 m/s verwendet wurden. Die Bürstenbelastungen betrugen 78 A/cm2 und 8 N/cm2 und die Bürstentemperatur reichte von 65 bis 78 °C.

Aus Fig. 7 ergibt sich, dass eine wesentlich höhere Bürstenkontaktspannung vorherrscht, wenn die Kohlenwasserstoffdampfadditive durch Wasserdampf in der C02-Atmo-sphäre ersetzt werden. Dies gilt selbst für sehr niedrige Teildrücke der Kohlenwasserstoffadditivdämpfe. Die Höhe der Bürstenspannung neigt dazu, verhältnismässig konstant für alle Kohlenwasserstoffe über sehr weite Bereiche der Dampfkonzentrationen zu sein. Es gibt jedoch einen mässigen Anstieg der Spannung mit ansteigendem Dampfdruck.

Eine nichtstaubende Abnutzung wurde erreicht, indem zu reinen trockenen C02-Atmosphären jeweils getrennt die Kohlenwasserstoffdämpfe hinzugefügt wurden, wobei in der Atmosphäre Hochstromsilbergraphitbürsten betrieben wurden, Fig. 8. Die Bürstenabnutzung kann weiter reduziert werden, indem der Kohlenwasserstoffadditivdampfdruck im untersuchten Bereich erhöht wird. Eine bestimmte Bürstenlebensdauer ist ebenfalls mit geringeren Dampfdruckkonzentrationen erreichbar, wenn das Kohlenwasserstoffmolekulargewicht erhöht wird. Beispielsweise zeigen sich gleiche Bürstenlebensdauern für Dampfdrücke von 670 und 0,2 Pa bei Heptan bzw. Hexadecan. Eine viel höhere Konzentration von Wasserdampf, 3000 Pa, ist erforderlich, um die gleiche Lebensdauer für die Bürste zu erhalten. Obwohl dies nicht dargestellt ist, sind die Reibungskoeffizienten zwischen Bürste und Ring im wesentlichen konstant geblieben (0,16), unabhängig von dem Dampfdruckadditiv oder dessen Teildampfdruck.

Diese Testdaten zeigen, dass eine erhebliche Verbesserung bei der Bürstenarbeitsweise (niedrigere Grenzflächenenergie-verluste und niedrigere Abnutzung) sich ergeben, wenn der Betrieb in einem von fünf ausgewählten Gasen (CO2, SFe, N2, He und A) erfolgt, verglichen mit ähnlichem Betrieb in Luft. Alle Testgasumgebungen enthielten Wasserdampf mit einem Teildruck von 600 Pa. Die beste Wirkungsweise zeigten Silbergraphitbürsten, die bei 78 A/cm2 Stromdichte in einer Argonumgebung arbeiteten.

Fünf unterschiedliche Kohlenwasserstoffe wurden als Dampfadditive zu einer ansonsten trocknen Kohlendioxidgasatmosphäre untersucht. Es wurde gefunden, dass diese Dampfzusätze als Feuchtigkeit gleich wirksam bei der Schaffung der Schmierung und der Erreichung niedriger Abnutzung sind. Die Bürstenwirkungsweise in diesen Umgebungen erwies sich als abhängig vom Kohlenwasserstoffmolekulargewicht (Kettenlänge) und von der Dampfkonzentration. Bezüglich der Feuchtigkeitszusätze werden gleich gute Bürstenlebensdauer mit sehr niedrigen Konzentrationen der ausgewählten Kohlenwasserstoffmaterialien erhalten. Der Kontaktspannungsabfall kann durch Veränderung des Teildruk-kes der Kohlenwasserstoffadditive beeinflusst werden.

Es wird deutlich, dass viele Modifikationen und Variationen aufgrund der obigen Lehren möglich sind. Die für die Kontaktglieder verwendeten spezifischen Materialien, sei es für die stationären oder rotierenden Glieder, müssen offensichtlich für jede spezielle Anwendung ausgewählt werden, wo Zugeständnisse hinsichtlich des Kontaktwiderstandes, der Reibung und der Abnützungsraten gemacht werden können. Es wird dem Durchschnittsfachmann klar sein, dass unterschiedliche Materialkombinationen geeignet sein können, abhängig davon, ob die Anwendung eine Kommutierung erfordert, beispielsweise bei heteropolaren Maschinen, die Kommutatoren oder segmentierte Ringe verwenden, oder ob lediglich eine Stromübertragung notwendig ist, wie beispielsweise bei homopolaren Maschinen, die im allgemeinen fortlaufende Kollektorringe benutzen. Wie bereits weiter oben offenbart wurde, umfassen typische Kombinationen elektro-graphitische Kohlenstoffbürsten auf Kupferkommutatoren, Silber- oder Kupfergraphitbürsten auf Kupferlegierungsoder Stahlschleifringen, oder Kohlenstoffbürsten auf Kupferschleifringen. Die stationären und rotierenden Materialglieder werden natürlich in einer sauerstofffreien Gasumgebung betrieben, in die ein geeignetes Dampfadditiv eingeschlossen ist. Auch können Höhlungsgehäuse und Bürstenhalter und angrenzende Stromkollektoren in einem Teil des Stators angeordnet werden, wie hier offenbart, oder axial ausserhalb davon, wie bei Gleichstrommaschinen.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

G

4 Blatt Zeichnungen

Claims

642 788

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Bürstenanordnung an einer dynamoelektrischen Maschine mit einem Stator und einem darin gelagerten Rotor, mindestens einem auf dem Rotor angeordneten betriebsmäs-sig stromführenden Kollektor, und in an der Maschine fest 5 montierten Bürstenhaltern gehaltene, in Kontakt mit dem Kollektor stehende Kollektorbürsten, wobei der Kollektor und die Bürsten in einem im wesentlichen flüssigkeitsdichten, gegenüber der Atmosphäre abgeschlossenen Raum (40) mit Mitteln zum Zuführen von unter Überdruck stehendem Gas- "> gemisch untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Raum (40) hindurchgeführte Gasgemisch ein Gasgemisch mit einem Additiv aus einer dampfförmigen organischen Substanz ist, das Ganze zum Zwecke, dass der Spannungsabfall an den Bürsten nicht mehr als 0,2 Volt und 's die Bürstenabnützungsrate höchstens 20 mm3 Abnützungsmaterial pro Megameter Kollektorbewegungsweg sind.
2. Bürstenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürsten graphitische Bürsten mit im Graphit dispergiertem Metall sind, wobei der Metallgehalt zwi- 20 sehen 30 und 97 Gew.-% liegt.
3. Bürstenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnützungsrate der Bürsten bei einem Bürsten-Metallgehalt zwischen 75 und 85 Gew.-% zwischen 3 bis 20 mm3 pro Megameter liegt. 25
4. Bürstenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Raum (40) hindurchgefühlte Gas Kohlendioxid enthält.
5. Bürstenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dampfförmige organische 30 Substanz zumindest einen paraffinischen Kohlenwasserstoff mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen, einen Alkohol mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen, ein Keton mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen, ein Aldehyd mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen, und ein Decalin enthält. 35
6. Bürstenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff n-paraffinisch ist.
7. Bürstenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Bürstenhalter (42)

innere Kanäle aufweist, und dass Einrichtungen (30,18,26) 40 für den Anschluss der Bürstenhalter (42) an eine separate Kühlmittelquelle vorhanden sind, um während des Maschinenbetriebes Wärme von den Bürsten (44) abzuführen.
8. Bürstenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Bürstenhalter (42) ein mit diesem in Wär- 45 meaustauschbeziehung stehendes Kühlrohr (50) aufweist, um Wärme vom Bürstenhalter abzuführen.