DE102004052026A1

DE102004052026A1 - Kollektor

Info

Publication number: DE102004052026A1
Application number: DE102004052026A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Suzuki; Fumihiro Hozumi; Daisuke Namikoshi
Original assignee: TotanKako Co Ltd
Current assignee: TotanKako Co Ltd
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2024-10-27
Also published as: CN1645689A; CN100511876C; KR100694983B1; US7148602B2; US20050099088A1; KR20070009955A; KR20050044277A; KR100730458B1; DE102004052026B4

Abstract

Es wird ein Kollektor bereitgestellt, welcher unter geringen Kosten hergestellt werden kann und der hinsichtlich Verschleißeigenschaften ausgezeichnet ist und in einer Kraftstoffpumpe verwendet werden kann. Der Kollektor ist ein solcher, worin mindestens dessen Abschnitte, welche in Kontakt mit Bürsten kommen, einen Füllstoff, der hauptsächlich aus Koks besteht, und ein karbonisiertes Bindemittel umfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kollektor bzw. Kommutator, insbesondere einen Kollektor zur Verwendung in einer Kraftstoffpumpe.
Kraftstoffpumpen werden derzeit weithin in Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Wenn die Bürsten bzw. Kontaktbürsten mit einer Vielzahl von geteilten bzw. getrennten Kontaktabschnitten des Kollektors im Motorabschnitt gleitend in Kontakt kommen, fließt elektrischer Strom von der Energiequelle zu den Ankennrindungen und der Anker dreht sich. Als Ergebnis der Drehung bzw. Rotation dieses Ankers dreht sich das Laufrad in dem Pumpenabschnitt und Benzin wird aus dem Benzintank angesaugt und dem Verbrennungsmotor zugeführt.

Der Kollektor ist im allgemeinen aus Kupfer. Wenn die Bürsten, welche gleitend in die Kontaktabschnitte aus Kupfer treten, weich sind, nutzen die Bürsten rasch ab, wodurch sich deren Lebensdauer verkürzt. Es ist beispielsweise vorstellbar, die Bürsten aus Kohlenstoffmaterial, umfassend amorphen Kohlenstoff, welcher hohe Härte aufweist, zu fertigen, um dadurch die Verschleißfestigkeit der Bürsten zu verbessern. Jedoch können die Kontaktabschnitte aus Kupfer beispielsweise als ein Ergebnis deren Reaktion mit einem oxidierten Kraftstoff oder einem schwefelhaltigen Kraftstoff korrodiert werden. Ferner kann Kupfersulfid gebildet werden, welches elektrisch leitfähig ist, was möglicherweise in einer elektrischen Verbindung zwischen zwei benachbarten Kontaktabschnitten aus der Vielzahl von getrennten Kontaktabschnitten resultiert. Um zu verhindern, dass die Kontaktabschnitte mit dem Kraftstoff reagieren, ist es im Stand der Technik bekannt, dass die Kontaktabschnitte aus einem Kohlenstoffmaterial gefertigt werden, wie beispielsweise in US-A-5,175,463 offenbart.

Jedoch sind die aus einem Kohlenstoffmaterial gefertigten Kontaktabschnitte im Vergleich zu Kontaktabschnitten aus Kupfer gering in der Härte und schlecht in der mechanischen Festigkeit, so dass Probleme auftreten, nämlich wenn die Kontaktabschnitte aus einem Kohlenstoffmaterial gleitend in Kontakt mit den Bürsten aus einem amorphen kohlenstoffhaltigen Material in Kontakt kommen, werden die Kontaktabschnitte mit einer erhöhten Rate abgenutzt bzw. verschlissen und die Lebensdauer der Kontaktabschnitte bis zum Erreichen der Toleranzverschleißgrenze wird verkürzt. Es wurde ein Versuch unternommen, die Lebensdauer der Kontaktabschnitte zu verlängern, indem künstlicher Graphit, der eine höhere Härte als natürlicher Graphit aufweist, als das Kohlenstoffmaterial zur Fertigung der Kontaktabschnitte eingesetzt wurde. Jedoch tritt dabei ein anderes Problem auf, nämlich die Produktionskosten steigen, da künstlicher Graphit im Vergleich zu natürlichem Graphit teurer ist.

Es wurde insofern in der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP Kokai) H10(1998)-162923 beschrieben, 5 bis 30 Gew.-% amorphen Kohlenstoff zu natürlichem Graphit zuzugeben.

Wenn jedoch natürlicher Graphit als das „Schlüsselmaterial" verwendet wird, ist die Lebensdauer des Kollektors begrenzt. Ferner ist es im Hinblick auf den in jüngster Zeit steigenden Trend der Kostenreduktion schwierig, Kollektoren mit zufriedenstellenden Eigenschaften unter Verwendung von natürlichem Graphit als das „Schlüsselmaterial" unter Erfüllen des Erfordernisses der Kostenreduktion zu fertigen.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Kollektor bereitzustellen, der hinsichtlich Verschleißeigenschaften ausgezeichnet ist und mit geringen Kosten hergestellt werden kann und der in Kraftstoffpumpen verwendet werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die vorstehende Aufgabe durch das Bereitstellen eines Kollektors gelöst werden, worin mindestens dessen Abschnitte, welche in Kontakt mit Bürsten kommen, einen Füllstoff, der hauptsächlich aus Koks besteht, und ein karbonisiertes Bindemittel umfassen. Vorzugsweise macht der Gehalt an Koks in dem Füllstoff mehr als 30 Gew.-% aber nicht mehr als 80 Gew.-% aus, wobei der Rest natürlicher Graphit, künstlicher Graphit oder ein Gemisch von natürlichem Graphit und künstlichem Graphit ist. Ferner ist der spezifische Widerstand des Kollektors in der Richtung senkrecht zu der Richtung der Druckanwendung nicht niedriger als 10 μΩm aber nicht höher als 95 μΩm, gemessen durch die Spannungsabfallmethode, ist.

Der Ausdruck „karbonisiert", wie hier verwendet, bedeutet, dass das Bindemittel einer Wärmebehandlung bei 400°C oder darüber unterworfen worden ist. Es ist möglich, weitere Verbesserungen in der Verschleißbeständigkeit durch Einbringen oder Zugeben von Kohlefasern oder einem festen Schmiermittel wie Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid in das oder zu dem Füllstoff-Bindemittel-Gemisch zu erreichen.

Im Vergleich zu natürlichem Graphit oder künstlichem Graphit ist der Koks, welcher als die Hauptfüllstoffkomponente dienen soll, günstig, was zur Verminderung der Herstellungskosten beiträgt. Wenn der Füllstoff aus einem Gemisch, umfassend mehr als 30 Gew.-% aber nicht mehr als 80 Gew.-% Koks, wobei der Rest natürlicher Graphit, künstlicher Graphit oder ein Gemisch von natürlichem Graphit und künstlichem Graphit ist, aufgebaut ist, werden die Kontaktabschnitte, welche in Kontakt mit Kohlenstoffbürsten kommen, nicht übermäßig hart oder der Kollektorverschleiß wird nicht bemerkenswert. Des weiteren wird durch die Verwendung von Koks als die Hauptkomponente der Kollektor als ein Ganzes hoch widerstandsfähig und in den Kollektor- bzw. Kommutierungseigenschaften verbessert. Da die Koksteilchen hart sind, wird zusätzlich die Bürstenfläche immer in einem konstant ebenen Zustand gehalten. Dadurch wird die Oberflächenänderung mit Fortdauer der Zeit gering und die Gleitbewegung wird stabilisiert und es können hohe Wirkungsgrade für eine verlängerte Zeitdauer beibehalten werden. Als das Bindemittel kann ein solches Bindemittel wie Pech bzw. Teer oder ein wärmehärtendes Harz, beispielsweise ein Phenolharz, verwendet werden. Der erfindungsgemäße Kollektor kann durch monolithisches Formen eines Pulvers auf Metall (z.B. Messing)-Basis zur Bildung einer nicht-kontaktierenden Seite des Kollektors und eines Kohlenstoff-Bindemittel- Verbundwerkstoffpulvers zum Bilden der Kontaktseite einen zweischichtigen Strukturaufbau aufweisen.

Der erfindungsgemäße Kollektor, welcher aus einem Füllstoff auf Koks-Basis und einem Bindemittel, wie vorstehend erwähnt, aufgebaut ist, kann unter verminderten Produktionskosten hergestellt werden und zeigt verbesserte Beständigkeit bzw. Haltbarkeit und gute Eigenschaften über einen verlängerten Zeitraum.

1 zeigt die Ansicht eines Kollektors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt den Querschnitt entlang der Linie A-A in 1.
3 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Testen des erfindungsgemäßen Kollektors.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kollektors eingehender beschrieben. Wie in 1 und 2 gezeigt ist der Kolektor 1 gemäß dieser Ausführungsform aus acht Segmenten 2, getrennt bei gleichwinkligen Intervallen bzw. Abständen angeordnet, und einem Tragelement bzw. Stützglied 3 aus Harz zum Stützen der Segmente 2 aufgebaut. Jedes Segment 2 umfasst einen Kontaktabschnitt 4 und einen Endabschnitt 5 aus Kupfer, der elektrisch mit dem Kontaktabschnitt 4 elektrisch verbunden ist. Die Kehle bzw. Rille, welche jedes Paar von benachbarten Segmenten 2 voneinander trennt, erstreckt sich bis zu dem Stützglied 3, so dass die Segmente 2 elektrisch voneinander isoliert werden. Eine Kralle 5a steht umfänglich aus jedem Endabschnitt 5 hervor und ist elektrisch mit einer Spule verbunden.
Der in dieser Weise aufgebaute Kollektor wird in der folgenden Weise hergestellt.
Zunächst wird die Endfläche eines nicht-getrennten Kontaktabschnitts 2, der in Kontakt mit einem nicht-getrennten Endabschnitt 5 kommen soll, mit Nickel plattiert, und die Nickeloberfläche und der Endabschnitt 5 werden zusammengelötet. Der nicht-getrennte Endabschnitt 5 ist aus Kupfer in der Form einer Scheibe und weist umfänglich Klauen 5a auf. Der nicht-getrennte Kontaktabschnitt 2 ist aus einem Füllstoff auf Koks-Basis und einem Bindemittel aufgebaut, und das Bindemittel ist ein karbonisiertes. Ein Stützglied bzw. -element 3 wird auf dem nicht-getrennten Endabschnitt 5 durch Formen eines Harzes gebildet und dann werden der Kontaktabschnitt 2 und der Endabschnitt 5 in Segmente getrennt bzw. unterteilt, so dass die Kehle bzw. Rille zwischen jedem Paar von benachbarten Segmenten sich bis zu dem Stützglied 3 erstreckt, wodurch Kontaktabschnitte 62 und Endabschnitte 63 gebildet werden. Anschließend wird jeder Kontaktabschnitt 2 nach Abtrennung elektrisch mit einer Spule verbunden, indem die Spule an die Klaue 5a, welche zu dem Kontaktabschnitt gehört, gesichert bzw. angeschmolzen wird.
In dem vorstehenden Verfahren umfasst der Füllstoff, welcher den nicht-getrennten Kontaktabschnitt aufbaut, mehr als 30 Gew.-% aber nicht mehr als 80 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 40 Gew.-% aber nicht mehr als 70 Gew.-%, an Koks, wobei der Rest natürlicher Graphit, künstlicher Graphit oder ein Gemisch von natürlichem Graphit und künstlichem Graphit ist. Der nicht-getrennte Kontaktabschnitt 2 wird durch Formen einer Zusammensetzung, hergestellt durch Mischen des vorstehenden Koks-Graphit-Gemisches mit einem durch Wärme härtenden Harz, beispielsweise ein Phenolharz, als ein Bindemittel, in eine vorbestimmte Form und Gestalt, gefolgt von der Karbonisierung bzw. Verkohlung des Bindemittels durch Brennen bei 700–900°C in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre gebildet. Die Verwendung von Koks als die Hauptkomponente resultiert in einem Anstieg im Kontaktwiderstand des Kollektors als ein Ganzes und in Verbesserungen in den Kommutierungsverhaltenseigenschaften. Da die Koksteilchen zusätzlich hart sind, werden die Bürstenflächen immer in einem konstanten Oberflächenzustand beibehalten, und daher ist der Verschleiß bzw. die Abnutzung gering, die Gleitbewegung wird stabilisiert und hohe Wirkungsgrade können für eine lange Zeitdauer beibehalten werden.
Beispiel 1
Von Erdöl abgeleiteter kalzinierter Koks (50 Gew.-%), natürlicher Graphit (50 Gew.%) und ein Phenolharz wurden miteinander gemischt und geknetet. Nach dem Kneten wurde das geknetete Gemisch getrocknet und zu einer durchschnittlichen Teilchengröße von 100 μm oder kleiner gemahlen. Das resultierende Pulver wurde in eine Form gebracht, wie in 1 und 2 gezeigt, um einen Kollektor zu erhalten. Dieser Kollektor wurde bezüglich spezifischem elektrischen Widerstand gemessen und weiter in einer Testvorrichtung, wie in 3 gezeigt, angeordnet und bezüglich der Kollektor-Verschleißrate gemessen. Der hier angegebene Widerstandswert ist der Wert in der Richtung senkrecht zu der Richtung der Druckanwendung, gemessen mit der Spannungsabfallmethode. Es wurde ein Kupfernetz, das als ein Stromanschluß diente, auf jede der beiden Endflächen des Testmusters aufgebracht, ein elektrischer Strom wurde dem Testmuster zugeführt, während ein Druck von etwa 1 kg darauf über ein Isolationsmaterial angelegt wurde, und es wurde der Spannungsabfall in der Mitte des Testmusters unter Verwendung eines Voltmeters gemessen.
Die in 3 gezeigte Testvorrichtung ist aus einem Motor 13, wobei der Testmuster-Kollektor an der Schaftspitze davon angebracht wurde, einem Paar von Kohlebürsten 11, welche in Kontakt mit dem Kollektor 1 kommen, und einem Paar von Federn 12 zum Drücken der Kohlebürsten 11 gegen den Kollektor 1 aufgebaut. Die Kollektor-Verschleißrate wurde unter den folgenden Bedingungen in einer Atmosphäre eines von Erdöl abgeleiteten Mineralöls 14 unter der Annahme, dass der Kollektor tatsächlich in einer Kraftstoffpumpe verwendet wird, bestimmt.

Umdrehungszahl: 10.000 min^–1

Kollektor: ∅ 20 mm

elektrischer Strom: Gleichstrom 5 A

Umfangsgeschwindigkeit: 10 (m/s)
Beispiel 2:
Es wurde ein Kollektor in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der von Erdöl abgeleitete kalzinierte Koks in einem Anteil von 70 Gew.-% und natürlicher Graphit in einem Anteil von 30 Gew.-% verwendet wurden. Der Kollektor wurde bezüglich spezifischem elektrischen Widerstand und bezüglich der Kollektor-Verschleißrate gemessen.
Beispiel 3:
Es wurde ein Kollektor in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der von Erdöl abgeleitete kalzinierte Koks in einem Anteil von 80 Gew.-% und natürlicher Graphit in einem Anteil von 20 Gew.-% verwendet wurden. Der Kollektor wurde bezüglich spezifischem elektrischen Widerstand und bezüglich der Kollektor-Verschleißrate gemessen.
Beispiel 4:
Es wurde ein Kollektor in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der von Erdöl abgeleitete kalzinierte Koks in einem Anteil von 35 Gew.-% und natürlicher Graphit in einem Anteil von 65 Gew.-% verwendet wurden. Der Kollektor wurde bezüglich spezifischem elektrischen Widerstand und bezüglich der Kollektor-Verschleißrate gemessen.
Vergleichsbeispiel 1:
Es wurde ein Kollektor in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der von Erdöl abgeleitete kalzinierte Koks in einem Anteil von 30 Gew.-% und natürlicher Graphit in einem Anteil von 70 Gew.-% verwendet wurden. Der Kollektor wurde bezüglich spezifischem elektrischen Widerstand und bezüglich der Kollektor-Verschleißrate gemessen.
Vergleichsbeispiel 2:
Es wurde ein Kollektor in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der von Erdöl abgeleitete kalzinierte Koks in einem Anteil von 85 Gew.-% und natürlicher Graphit in einem Anteil von 15 Gew.-% verwendet wurden. Der Kollektor wurde bezüglich spezifischem elektrischen Widerstand und bezüglich der Kollektor-Verschleißrate gemessen.
Vergleichsbeispiel 3:
Es wurde ein Kollektor in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der von Erdöl abgeleitete kalzinierte Koks in einem Anteil von 100 Gew.-% verwendet wurde. Der Kollektor wurde bezüglich spezifischem elektrischen Widerstand und bezüglich der Kollektor-Verschleißrate gemessen.
Vergleichsbeispiel 4:
Es wurde ein Kollektor unter Verwendung von 100 Gew.-% an natürlichem Graphit als Füllstoff hergestellt. Der Kollektor wurde bezüglich spezifischem elektrischen Widerstand und bezüglich der Kollektor-Verschleißrate gemessen.
Die Daten bezüglich des spezifischen elektrischen Widerstands und bezüglich der Kollektor-Verschleißrate, wie für die Kollektoren gemäß den Beispielen 1 bis 4 und gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 erhalten, sind in nachstehender Tabelle 1 zusammengefasst:
Tabelle 1
Die in Tabelle 1 gezeigten Daten zeigen, dass, wenn der Koksgehalt ansteigt, der spezifische Widerstand steigt. Es ist ebenso ersichtlich, dass, wenn der Koksgehalt von 30 Gew.-% ansteigt, die Kollektor-Verschleißrate und die Bürsten-Verschleißrate jeweils abnehmen und dann zunehmen. Durch Auswählen des Koksgehaltes innerhalb des Bereichs von mehr als 30 Gew.-% bis 80 Gew.-% ist es somit möglich, Kollektoren bereitzustellen, die befähigt sind, deren ausgezeichnete Eigenschaften über einen verlängerten Zeitraum beizubehalten.

Claims

Kollektor, worin mindestens dessen Abschnitte, welche in Kontakt mit Bürsten kommen, einen Füllstoff, der hauptsächlich aus Koks besteht, und ein karbonisiertes Bindemittel umfassen.
Kollektor nach Anspruch 1, wobei der Gehalt an Koks in dem Füllstoff mehr als 30 Gew.-% aber nicht mehr als 80 Gew.-% ausmacht, wobei der Rest natürlicher Graphit, künstlicher Graphit oder ein Gemisch von natürlichem Graphit und künstlichem Graphit ist.
Kollektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der spezifische Widerstand des Kollektors in der Richtung senkrecht zu der Richtung der Druckanwendung nicht niedriger als 10 μΩm aber nicht höher als 95 μΩm, gemessen durch die Spannungsabfallmethode, ist.