DE102008059478A1 - Kohlebürste zur Übertragung hoher Ströme - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kohlebürste (10, 20) zur Übertragung hoher Ströme mit einem Anschlussteil (12) zum Anschluss eines elektrischen Leiters (19) und einem sich verbrauchenden Kontaktteil (11) mit einer zur Anlage an eine Kommutatoreinrichtung ausgebildeten Kontaktfläche (16), wobei der Anschlussteil und der Kontaktteil in einer quer zur Abnutzungsrichtung der Kohlebürste orientierten Schichtübergangzone (13) ineinander übergehend ausgebildet sind und einen einstückigen Formkörper bilden, wobei der Anschlussteil und der Kontaktteil unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, derart, dass ein Kohlenstoffanteil des Kontaktteils größer ist als der Kohlenstoffanteil des Anschlussteils und der Kontaktteil einen vom Anschlussteil abweichenden Metallanteil aufweist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kohlebürste zur Übertragung hoher Ströme mit einem Anschlussteil zum Anschluss eines elektrischen Leiters und einem sich verbrauchenden Kontaktteil mit einer zur Anlage an eine Schleifringeinrichtung, insbesondere Kommutatoreinrichtung, ausgebildeten Kontaktfläche.
- Kohlebürsten der eingansgenannten Art werden häufig auch als so genannte „Industriekohlebürsten” bezeichnet und vor allem dort eingesetzt, wo über Kohlebürsten hohe Ströme übertragen werden, die nicht selten mehr als 20 Ampere/cm2 Bürstenfläche betragen. Dabei werden derartige Kohlebürsten sowohl in Motoren als auch in Generatoren eingesetzt, wobei letzteres in zunehmendem Maße auch im Bereich von Windkraftanlagen der Fall ist.
- Aufgrund der hohen übertragenen Leistungen ist es im Fall von Industriekohlebürsten besonders wichtig, dem Kohlenstoff in ausreichendem Maße metallische Anteile zuzusetzen, die zur Ausbildung möglichst geringer Übergangswiderstände beitragen, um insbesondere die durch den elektrischen Widerstand bedingte Aufheizung der Kohlebürsten möglichst gering zu halten. Hierzu hat es sich bewährt, die regelmäßig als Formkörper hergestellten Kohlebürsten aus einer Formpartikelzusammensetzung herzustellen, die zu einem den Kohlenstoffanteil überwiegenden Anteil aus einem geeigneten Metall, insbesondere Silber, bestehen. In der Praxis übersteigen dabei die Silberanteile der Industriekohlebürsten nicht selten 60% und mehr. Hierdurch ergeben sich für die Industriekohlebürsten unabhängig von den verfahrensspezifischen Herstellungskosten allein aufgrund der benötigten Silbermenge erhebliche Herstellungskosten.
- Die bekannten Industriekohlebürsten werden als im Wesentlichen homogene Formkörper hergestellt, die sowohl in ihrem im Betrieb mit der Schleifringeinrichtung in Kontakt kommenden Kontaktteil als auch in ihrem Anschlussteil, an den der elektrische Anschlussleiter angeschlossen ist, eine gleich bleibende Zusammensetzung aufweisen. Im Ergebnis führt dies dazu, dass ein erheblicher Anteil des in der Kohlebürste vorhandenen Silbers, das sich im Kontaktteil zusammen mit dem Kohlenstoff während der Abnutzung der Kohlebürste verbraucht, im Anschlussteil vorhanden ist, wo die spezifischen Materialeigenschaften des Silbers, die im Zusammenwirken mit dem Kohlenstoff im Kontaktteil erforderlich sind, nicht benötigt werden. Vielmehr dient der Anschlussteil der Kohlebürste insbesondere zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit dem Anschlussleiter. Nach Verbrauch des Kontaktteils wird der Anschlussteil zusammen mit dem darin enthaltenen Silberanteil regelmäßig entsorgt.
- Aus der bislang geübten Praxis ergibt sich, dass für die Herstellung der Industriekohlebürsten also insgesamt eine Silbermenge eingesetzt wird, die für den Betrieb der Kohlebürsten nicht notwendig ist.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kohlebürste zur Übertragung hoher Ströme vorzuschlagen, die eine sichere Funktion der Kohlebürste bei gleichzeitig gegenüber den bekannten Kohlebürsten verringerten Herstellungskosten ermöglicht.
- Diese Aufgabe wird durch eine Kohlebürste mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
- Die erfindungsgemäße Kohlebürste zur Übertragung hoher Ströme weist einen Formkörper auf, der in seiner Zusammensetzung hinsichtlich der unterschiedlichen Funktionen der Bereiche der Kohlebürste differenziert zwischen dem Anschlussteil, der zum Anschluss eines elektrischen Leiters dient, und dem Kontaktteil, der zur kontinuierlichen Ausbildung eines Kontakts mit dem Material des Gegenkontaktteils bzw. der Schleifringeinrichtung dient und im Unterschied zu dem Anschlussteil durch Verbrauch für einen anschmiegenden Kontakt gegen das Material des Gegenkontakts sorgen muss.
- Bei der erfindungsgemäßen Kohlebürste sind der Anschlussteil und der Kontaktteil in einer quer zur Abnutzungsrichtung der Kohlebürste orientierten Schichtüberganzzone ineinander übergehend ausgebildet und bilden einen einstückigen Formkörper mit unterschiedlicher Zusammensetzungen, die den unterschiedlichen Funktionen des Anschlussteils und des Kontaktteils angepasst sind. Demgemäß ist der Kohlenstoffanteil des Kontaktteils größer als der Kohlenstoffanteil des Anschlussteils, da der Kohlenstoff für die Ausbildung des gewünschten reibungsarmen Kontakts wesentlich ist. Neben dem Kohlenstoffanteil weist der Kontaktteil einen Metallanteil auf, der vom Metallanteil des Anschlussteils unterschiedlich ist, um die Metallanteile jeweils optimal auf die unterschiedlichen Funktionen des Metallanteils im Kontaktteil und im Anschlussteil abstimmen zu können. Somit kann für den Kontaktteil ein Metall gewählt werden, dass einerseits die Ausbildung eines gewünschten geringen Übergangswiderstandes ermöglicht, andererseits jedoch auch vergleichsweise wenig abrasive Eigenschaften hat, um die vorteilhaften Eigenschaften des Kohlenstoffs hinsichtlich der Ausbildung eines reibungsarmen Kontakts möglichst wenig zu beeinträchtigen. Für den Anschlussteil, der durch die Schichtübergangszone von dem sich verbrauchenden Teil der Kohlebürste getrennt ist und bei dem es demzufolge nicht auf den Verschleiß beeinflussende Eigenschaften ankommt, kann somit ein Metallanteil gewählt werden, der ohne Rücksicht auf seine abrasiven Eigenschaften einerseits eine ausreichende mechanische Festigkeit zur Erfüllung der mechanischen Verbindungsfunktion und andererseits eine gute elektrische Leitfähigkeit zur Herstellung der elektrischen Verbindung zum Anschlussleiter aufweist.
- Die erfindungsgemäße Kohlebürste ist somit als eine Kohlebürste definiert, die durch die Schichtübergangszone Bereiche voneinander trennt, die jeweils unabhängig voneinander hinsichtlich der wesentlichen Funktionen der Bereiche optimierbar sind. Somit ist es auch möglich, den Silberanteil bei der erfindungsgemäßen Kohlebürste gegenüber der bekannten Kohlebürste dadurch erheblich abzusenken, dass der Silberanteil nur noch für den Kontaktteil notwendig ist. Demzufolge ist bei entsprechender Ausführung der erfindungsgemäßen Kohlebürste bei einer bis zum Erreichen der Schichtübergangzone abgenutzten Kohlebürste in dem verbleibenden, zu entsorgenden und im Wesentlichen lediglich aus dem Anschlussteil bestehenden Bürstenrest kein Silber mehr enthalten.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kohlebürste weist der Kontaktteil einen Metallanteil auf, der überwiegend aus Silber besteht und der Anschlussteil einen Metallanteil, der überwiegend aus Kupfer besteht. Hiermit ist eine hinsichtlich der Auswahl des jeweiligen Metalls für den Kontaktteil und den Anschlussteil optimierte Kohlebürste möglich.
- Der Metallanteil im Kontaktteil kann je nach Anforderung an die Kohlebürste 50% oder mehr betragen. Der Metallanteil des Kontaktteils kann je nach Anforderung bis zu 100% aus einem Kupferwerkstoff oder einer Kupferlegierung bestehen.
- Eine besonders hochfeste, selbst größten mechanischen Belastungen gerecht werdende Ausführungsform ist gegeben, wenn der Anschlussteil zu 100% aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
- Wenn gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Kohlebürste der Kontaktteil benachbart zur Schichtübertragungszone einen gegenüber einem mit der Kontaktfläche versehenen Verbrauchsbereich mit abweichender Zusammensetzung ausgebildeten Indikatorbereich aufweist, der einen gegenüber dem Verbrauchsbereich abweichenden Metallanteil aufweist, ist unter Ausnutzung eines mehrschichtigen Aufbaus die Ausbildung einer Verbrauchs- bzw. Wartungsanzeige an der Kohlebürste möglich, ohne das besondere separate Kontakteinrichtungen vorgesehen werden müssten. Bei dieser Ausführungsform kann man sich einfach den vorteilhaften Effekt zu Nutze machen, dass aufgrund des vom Verbrauchsbereich abweichenden Metallanteils des Indikatorbereichs bei Ausbildung der Kontaktfläche im Indikatorbereich eine entsprechende Änderung des Widerstands der Fall ist. Diese Widerstandsänderung kann als Signal für die Notwendigkeit des Austauschs der Kohlebürste verwendet werden.
- Unabhängig von der Ausbildung eines Indikatorbereichs an der Kohlebürste ist es in jedem Fall von Vorteil, wenn der Anschlussteil eine ebene Anschlussfläche zur Herstellung einer Lot- oder Schweißverbindung mit dem elektrischen Leiter aufweist, so dass ohne die Notwendigkeit besonderer Aufnahmeeinrichtungen am Anschlussteil eine einfache flächige Anbringung des Anschlussleiters durch eine Lot- oder Schweißverbindung möglich ist.
- Nachfolgend werden anhand der Zeichnung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
- Es zeigen:
-
1 eine Kohlebürste in einer ersten Ausführungsform; -
2 die in1 dargestellte Kohlebürste mit einer am Anschlussteil der Kohlebürste ausgebildeten Anschlussseite; -
3 eine Kohlebürste in einer weiteren Ausführungsform; -
4a bis4c ein Verfahren zur Herstellung der in1 dargestellten Kohlebürste. -
1 zeigt eine Kohlebürste10 mit einem Kontaktteil11 und einem Anschlussteil12 , die jeweils aus einzelnen Formpartikeln24 ,25 ,26 (4a ) hergestellt sind und über eine Schichtübergangszone13 einstückig miteinander verbunden sind. Die Herstellung der in1 dargestellten Kohlebürste kann vermittels des nachfolgend unter Bezugnahme auf die4a bis4c dargestellten Formpressverfahrens erfolgen, derart, dass durch geeignete Verdichtung die Kohlebürste10 als Formstück ausgebildet wird, wobei sich in der Schichtübergangszone13 eine lokal auf die Schichtübergangszone13 beschränkte Durchdringung des Kontaktteils11 mit dem Anschlussteil12 infolge der Druckbeaufschlagung der Formpartikel der Kontaktteile11 und12 einstellt. - Der Kontaktteil
11 besteht im Falle des in1 dargestellten Ausführungsbeispiels aus einem Gemenge von 60 Gewichtsprozent Silber und 40 Gewichtsprozent Kohlenstoff und wird in Richtung des in1 durch den Pfeil angedeuteten Anpressdruck verbraucht. Der Anschlussteil12 besteht im Falle des in1 dargestellten Ausführungsbeispiels der Kohlebürste10 aus reinem Kupfer. - Der Kontaktteil
11 weist angrenzend an eine in1 angedeutete Kontaktoberfläche14 einer Kommutatoreinrichtung15 eine Kontaktfläche16 auf, die angeschmiegt angepasst an die Kontur der Kontaktfläche14 ausgebildet ist. -
2 zeigt eine im vorliegenden Fall durch die rückwärtige Stirnfläche des Anschlussteils12 ausgebildete ebene Anschlussfläche17 , die zur Herstellung einer hier beispielsweise durch eine Lotverbindung18 ausgebildeten elektrisch leitfähigen Verbindung des Anschlussteils12 mit einem elektrischen Anschlussleiter19 dient. -
3 zeigt in einer weiteren Ausführungsform eine Kohlebürste20 , die abweichend von der in1 dargestellten Kohlebürste10 einen Kontaktteil21 aufweist, der benachbart zur Kontaktfläche16 einen Verbrauchsbereich22 und einen unmittelbar daran anschließenden, zur Schichtübergangszone13 benachbarten Indikatorbereich23 aufweist. Übereinstimmend mit der in1 dargestellten Kohlebürste10 schließt sich an die Schichtübergangszone13 ein Anschlussteil12 an. - Bei dem in
3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Kohlebürste20 unterscheidet sich der Indikatorbereich23 vom Verbrauchsbereich22 durch einen vergleichsweise geringeren Silberanteil. - Wie in den
4a bis4c dargestellt, besteht eine Möglichkeit der Herstellung der Kohlebürste10 darin, eine Formeinrichtung27 umfassend ein Formwerkzeug28 und eine Anzahl von Formstempeln29 bis31 zu verwenden, wobei zunächst beispielsweise durch einen Formschieber getrennte Formbereiche33 und34 mit den Formpartikeln24 ,25 und26 entsprechend der gewünschten Materialzusammensetzung des Kontaktteils11 und des Anschlussteils12 befüllt werden. Beim Beispiel der Kohlebürste10 bestehen die Formpartikel24 aus Graphit, die Formpartikel25 aus Silber und die Formpartikel26 aus Kupfer. - Anschließend wird der Formschieber
32 aus dem Formwerkzeug entfernt (4b ), so dass sich eine unmittelbarer Kontakt zwischen den im ersten Formbereich33 angeordneten Formpartikeln24 ,25 und den im zweiten Formbereich34 angeordneten Formpartikeln26 unter Ausbildung der Schichtübergangszone13 ergibt. Durch anschließende Verdichtung der Formpartikel24 ,25 und26 vermittels des von oben abgesenkten Formstempels31 wird schließlich die Kohlebürste10 hergestellt (4c ). Eine weitergehende Partitionierung, wie bei der in3 dargestellten Kohlebürste20 , kann durch eine entsprechende Anzahl und Anordnung weiterer Formschieber im Formwerkzeug erfolgen.
Claims (6)
- Kohlebürste (
10 ,20 ) zur Übertragung hoher Ströme mit einem Anschlussteil (12 ) zum Anschluss eines elektrischen Leiters (19 ) und einem sich verbrauchenden Kontaktteil (11 ) mit einer zur Anlage an eine Kommutatoreinrichtung ausgebildeten Kontaktfläche (16 ), dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussteil und der Kontaktteil in einer quer zur Abnutzungsrichtung der Kohlebürste orientierten Schichtübergangzone (13 ) ineinander übergehend ausgebildet sind und einen einstückigen Formkörper bilden, wobei der Anschlussteil und der Kontaktteil unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, derart, dass ein Kohlenstoffanteil des Kontaktteils größer ist als der Kohlenstoffanteil des Anschlussteils und der Kontaktteil einen vom Anschlussteil abweichenden Metallanteil aufweist. - Kohlebürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktteil (
11 ) einen Metallanteil aufweist, der überwiegend aus Silber besteht, und der Anschlussteil (12 ) einen Metallanteil aufweist, der überwiegend aus Kupfer besteht. - Kohlebürste nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktteil (
11 ) zumindest zu 50 Gewichts-% aus Silber oder einer Silberlegierung und der Anschlussteil (12 ) zumindest zu 50 Gewichts-% aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. - Kohlebürste nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussteil (
12 ) zu 100 Gewichts-% aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. - Kohlebürste nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktteil (
11 ) benachbart zur Schichtübergangszone (13 ) einen gegenüber einem mit der Kontaktfläche (16 ) versehenen Verbrauchsbereich (22 ) mit abweichender Zusammensetzung ausgebildeten Indikatorbereich (23 ) aufweist, der einen gegenüber dem Verbrauchsbereich abweichenden Metallanteil aufweist. - Kohlebürste nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussteil (
12 ) eine ebene Anschlussfläche (17 ) zur Herstellung einer Lot- oder Schweißverbindung mit dem elektrischen Leiter (19 ) aufweist.
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