DE102013020386A1

DE102013020386A1 - carbon brush

Info

Publication number: DE102013020386A1
Application number: DE102013020386.4A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Denner
Original assignee: Schunk Wien GmbH
Current assignee: Schunk Wien GmbH
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-06-11
Also published as: EP2884602A1; EP2884602B1; PL2884602T3

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Kohlebürste für einen Kontakt zur Übertragung von elektrischen Strömen zwischen einem feststehenden Element und einem rotationsfähigen Element vorgeschlagen, wobei die Kohlebürste an einem Bürstenhalter angeordnet ist, in Richtung des rotationsfähigen Elements druckbeaufschlagt ist, so dass sie an einer dem rotationsfähigen Element zugeordneten Rotationsfläche anliegt, welche um eine Rotationsachse des rotationsfähigen Elements rotierbar ist, und drahtgebunden an zumindest ein feststehendes Element stromleitend gekoppelt ist. Die Kohlebürste weist zumindest einen stromleitenden Draht auf, welcher mit dieser druckbeaufschlagt an der Rotationsfläche anliegt.According to the invention, a carbon brush is proposed for a contact for transmitting electrical currents between a stationary element and a rotatable element, wherein the carbon brush is arranged on a brush holder, is pressurized in the direction of the rotatable element, so that it bears against a rotation surface associated with the rotatable element which is rotatable about an axis of rotation of the rotatable element, and is electrically conductively coupled to at least one fixed element. The carbon brush has at least one electrically conductive wire, which bears with this pressurized on the surface of revolution.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kohlebürste zur Ausbildung eines elektrischen Kontakts zwischen einem stromführenden Stator und einem stromführenden Rotor, derart, dass eine an einem als Kohlenstoffformstück ausgebildeten Bürstenkörper ausgebildete Kontaktfläche der Kohlebürste gegen eine Gegenkontaktfläche des Stators oder Rotors anliegt, wobei der Bürstenkörper eine sich vorzugsweise geradlinig in Abnutzungsrichtung des Bürstenkörpers erstreckende Sekundärleiteinrichtung aufweist, die mit einem Kontaktende in der Kontaktfläche des Bürstenkörpers angeordnet ist.The invention relates to a carbon brush for forming an electrical contact between a current-carrying stator and a current-carrying rotor, such that a contact surface formed on a formed as a carbon body brush surface of the carbon brush abuts against a mating contact surface of the stator or rotor, wherein the brush body is preferably a straight line in Wear direction of the brush body extending secondary guide, which is arranged with a contact end in the contact surface of the brush body.

Derartige Kohlebürsten werden beispielsweise bei Elektromotoren oder Erdungskontakten von Fahrzeugen, insbesondere von Schienenfahrzeugen, eingesetzt. Die Kohlebürste stellt einen Kontakt zur Übertragung von elektrischen Strömen zwischen einem feststehenden Element und einem rotierenden Element her, wobei die Kohlebürste an einem Bürstenhalter angeordnet, und eine Kontaktfläche der Kohlebürste mit einer Kontaktkraft an einer Gegenkontaktfläche anliegt, und die Kontaktfläche oder die Gegenkontaktfläche um eine Rotationsachse rotiert.Such carbon brushes are used for example in electric motors or grounding contacts of vehicles, especially rail vehicles. The carbon brush makes contact for transmitting electrical currents between a fixed element and a rotating element, the carbon brush disposed on a brush holder, and a contact surface of the carbon brush with a contact force against a mating contact surface, and the contact surface or mating contact surface about an axis of rotation rotates.

Durch das Herstellen dieses Kontaktes zwischen dem feststehenden und dem rotationsfähigen Element ist es möglich, einen Stromkreis zu schließen. Bei Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen, erfüllt der Stromkreis insbesondere eine Erdungsfunktion.By making this contact between the fixed and the rotatable element, it is possible to close a circuit. In vehicles, in particular rail vehicles, the circuit in particular fulfills a grounding function.

Der Kontakt, welcher sich zwischen der Kontaktfläche der Kohlebürste und der Gegenkontaktfläche einstellt, ist jedoch Einflüssen ausgesetzt, welche die Übertragung eines Stroms zumindest erschweren. Insbesondere besteht bei den bekannten Kohlebürsten das Problem, dass durch den betriebsbedingten Eintrag von Ölen und Fetten die Kontaktfläche bzw. die Gegenkontaktfläche benetzt wird. Aufgrund der Oberflächenbenetzung bildet sich bei hochfrequenten Strömen ein nachteiliger Skin-Effekt, wonach der Stromfluss durch die Kohlebürste nicht gleichmäßig über den ganzen Querschnitt erfolgt, sondern der Stromfluss magnetfeldbedingt vorwiegend an den Außenrändern der Kohlebürste erfolgt. Der Skin-Effekt führt folglich dazu, dass sich der nutzbare Kohlebürstenquerschnitt für den Elektronenfluss stark verringert.However, the contact which is established between the contact surface of the carbon brush and the mating contact surface is exposed to influences which at least make the transmission of a current more difficult. In particular, in the known carbon brushes has the problem that the contact surface or the mating contact surface is wetted by the operational entry of oils and fats. Due to the surface wetting forms at high-frequency currents an adverse skin effect, according to which the current flow through the carbon brush does not occur uniformly over the entire cross-section, but the current flow takes place magnetic field mainly at the outer edges of the carbon brush. The skin effect consequently leads to a considerable reduction of the usable carbon brush cross section for the flow of electrons.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kohlebürste vorzuschlagen, welche der Ausbildung des Skin-Effekts entgegenwirkt.The invention is therefore based on the object to propose a carbon brush, which counteracts the formation of the skin effect.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Kohlebürste mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a carbon brush with the features of claim 1.

Erfindungsgemäß weist die Sekundärleiteinrichtung zumindest eine Kohlenstofffaseranordnung auf mit Kohlefasern, deren Faserenden in der Kontaktfläche angeordnet sind, so dass die Kohlenstofffasern nicht nur eine besonders effektive Stromführung ermöglichen, sonder darüber hinaus die Faserenden einen benetzenden Film aufreißen und einen unmittelbaren Kontakt zur Gegenkontaktfläche ermöglichen. Die einzelnen Kohlenstofffasern erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Länge der Kohlenstofffaseranordnung, sind also vorzugsweise durch Filamente übereinstimmender Länge gebildet, die sich über die Gesamtlänge der Sekundärleiteinrichtung erstrecken.According to the invention, the secondary guiding device has at least one carbon fiber arrangement with carbon fibers, the fiber ends of which are arranged in the contact surface, so that the carbon fibers not only allow a particularly effective current conduction, but moreover the fiber ends rupture a wetting film and allow direct contact with the mating contact surface. The individual carbon fibers preferably extend over the entire length of the carbon fiber assembly, so are preferably formed by filaments of matching length, which extend over the entire length of the secondary guide.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kohlenstofffaseranordnung innerhalb des Bürstenkörpers in einer Ausnehmung eingebettet aufgenommen. Die Integration der Kohlenstofffaseranordnung in die Kohlebürste führt dazu, dass der Formkörper zur Abstützung bzw. zur Versteifung der Kohlenstofffasern genutzt werden kann.According to a preferred embodiment, the carbon fiber arrangement is accommodated within the brush body embedded in a recess. The integration of the carbon fiber arrangement in the carbon brush leads to the fact that the shaped body can be used for supporting or stiffening the carbon fibers.

Vorzugsweise sind die Kohlenstofffasern der Kohlenstofffaseranordnung in einer Stützmatrix angeordnet sind, die durch eine äußere Umhüllung der Kohlenstofffaseranordnung oder auch durch eine versteifte Ausbildung der einzelnen Kohlenstofffasern gebildet sein kann.Preferably, the carbon fibers of the carbon fiber assembly are arranged in a support matrix, which may be formed by an outer cladding of the carbon fiber assembly or by a stiffened formation of the individual carbon fibers.

Insbesondere können die Kohlenstofffasern der Kohlenstofffaseranordnung zur Versteifung ein litzen- oder drahtförmiges Fasergeflecht ausbilden.In particular, the carbon fibers of the carbon fiber arrangement for stiffening can form a stranded or wire-shaped fiber braid.

Vorzugsweise ist die Kohlenstofffaseranordnung mit einem vorzugsweise als Anschlusslitze ausgebildeten äußeren Anschlussleiter der Kohlebürste kontaktiert, so dass unabhängig vom Kohlenstoffformstück eine direkte elektrische Verbindung zwischen der Kohlenstofffaseranordnung und dem Anschlussleiter besteht.Preferably, the carbon fiber assembly is contacted with a preferably designed as a pigtail outer terminal conductor of the carbon brush, so that there is a direct electrical connection between the carbon fiber assembly and the terminal conductor regardless of the carbon fitting.

Wenn die Kontaktierung der Kohlenstofffaseranordnung über einen Stampfkontakt erfolgt, ist ein besonders geringer Kontaktwiderstand ausgebildet.If the contacting of the carbon fiber arrangement takes place via a tamping contact, a particularly low contact resistance is formed.

Wenn der Stampfkontakt in einer schräg zur Kohlenstofffaseranordnung ausgerichteten und in die Ausnehmung der Kohlenstofffaseranordnung einmündenden Ausnehmung ausgebildet ist, kann als Anschlussfläche eine von der axialen Endfläche des Kohlenstoffformstück abweichende, insbesondere seitlich zur Endfläche angeordnete Fläche als äußere Anschlussfläche gewählt werden.If the tamping contact is formed in a recess aligned obliquely with respect to the carbon fiber arrangement and opening into the recess of the carbon fiber arrangement, a surface deviating from the axial end face of the carbon fitting, in particular arranged laterally to the end face, can be selected as the outer face.

Vorzugsweise weist die Sekundärleiteinrichtung zwei Kohlenstofffaseranordnungen aufweist, wobei zumindest eine über einen Stampfkontakt mit einem Anschlussleiter der Kohlebürste kontaktiert ist.Preferably, the secondary guide device has two carbon fiber arrangements, wherein at least one is contacted via a tamping contact with a connection conductor of the carbon brush.

Wenn die Sekundärleiteinrichtung zwei Kohlenstofffaseranordnungen aufweist, die jeweils über einen Stampfkontakt mit einem Anschlussleiter der Kohlebürste kontaktiert sind, kann eine funktionale Trennung der Kohlenstofffaseranordnungen erfolgen; beispielsweise kann eine Kohlenstofffaseranordnung als Verschleißkontakt genutzt werden, der eine Stromabschaltung bei Erreichen einer Verschleißgrenze bewirkt. If the secondary conducting device has two carbon fiber arrangements which are each contacted via a tamping contact with a connection conductor of the carbon brush, a functional separation of the carbon fiber arrangements can take place; For example, a carbon fiber assembly can be used as a wear contact, which causes a power cut when reaching a wear limit.

Der erfindungsgemäße Erdungskontakt nach Anspruch 10 zur Übertragung von elektrischen Strömen zwischen einem feststehenden, einen Stator ausbildenden Fahrzeugteil und einem relativ zu dem feststehen Fahrzeugteil bewegten, einen Rotor ausbildenden Fahrzeugteil, weist eine zumindest eine Kohlebürste nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassende Bürstenanordnung auf.The earth contact according to the invention according to claim 10 for the transmission of electrical currents between a stationary, a stator forming vehicle part and a moving relative to the stationary vehicle part, a rotor forming vehicle part, comprises a brush assembly according to at least one brush according to one of the preceding claims.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bürstenanordnung zumindest zwei konzentrisch zu einer Rotationsachse der Bürstenanordnung auf einem Bürstenkreis angeordnete Kohlebürsten auf, deren Kohlefaseranordnungen mit ihren Kontaktenden an unterschiedlichen Kontaktstellen in der Kontaktfläche der Bürstenkörper angeordnet sind, derart, dass die Kontaktstellen unterschiedliche Abstände zur Rotationsachse der Bürstenanordnung aufweisen.According to a preferred embodiment, the brush arrangement has at least two carbon brushes arranged concentrically to a rotation axis of the brush arrangement on a brush circle whose carbon fiber arrangements are arranged with their contact ends at different contact points in the contact surface of the brush body, such that the contact points have different distances from the axis of rotation of the brush arrangement ,

Gemäß einer alternativen Ausführungsform nach Anspruch 12 weist die Bürstenanordnung zumindest zwei mit unterschiedlichen Abständen zu einer Rotationsachse der Bürstenanordnung auf einem Bürstenkreis angeordnete Kohlebürsten auf, deren Kohlefaseranordnungen mit ihren Kontaktenden an übereinstimmenden Kontaktstellen in der Kontaktfläche der Bürstenkörper angeordnet sind, derart, dass die Kontaktstellen unterschiedliche Abstände zur Rotationsachse der Bürstenanordnung aufweisen.According to an alternative embodiment according to claim 12, the brush arrangement has at least two carbon brushes arranged at different distances from a rotation axis of the brush arrangement on a brush circle whose carbon fiber arrangements are arranged with their contact ends at matching contact points in the contact surface of the brush bodies, such that the contact points have different distances have to the axis of rotation of the brush assembly.

Durch die vorstehenden alternativen Ausführungsformen ist es möglich, einen benetzenden Fett- oder Ölfilm an mehreren Stellen und somit großflächig aufzureißen. Durch die Definition mehrerer Kreisbahnen wird zudem die Gegenkontaktfläche gleichmäßig belastet.By means of the above alternative embodiments, it is possible to rupture a wetting fat or oil film at several points and thus over a large area. By defining several circular paths, the mating contact surface is additionally loaded evenly.

Ein Ausführungsbeispiel einer Kohlebürste nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:An embodiment of a carbon brush according to the invention is shown schematically simplified in the drawing and will be explained in more detail in the following description. It shows:

1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Kohlebürste; 1 a perspective view of an embodiment of a carbon brush;

2 einen Schnitt durch die Kohlebürste nach 1 entlang der Linie II-II; 2 a section through the carbon brush after 1 along the line II-II;

3 eine Draufsicht auf einen Erdungskontakt mit einer Mehrzahl von Kohlebürsten. 3 a plan view of a grounding contact with a plurality of carbon brushes.

1 zeigt in isometrischer Darstellung eine Kohlebürste 2 mit einem Kohlenstoffformstück 13, das in seinem einer Kontaktfläche 6 gegenüber liegenden Anschlussende zwei Ausnehmungen 20 aufweist, in welchen Anschlussleiter über Stampfkontakte 11 aus komprimiertem leitfähigem Kontaktpulver mit einer Kohlenstofffaseranordnung 10 kontaktiert werden können, die in einer weitere Ausnehmung 12 aufgenommen ist, die sich in Abnutzungsrichtung des Kohlenstoffformstücks 13 erstreckt. 1 shows in isometric view a carbon brush 2 with a carbon fitting 13 that in its one contact area 6 opposite terminal end two recesses 20 has, in which connection conductor via tamping contacts 11 of compressed conductive contact powder with a carbon fiber assembly 10 can be contacted in a further recess 12 is absorbed, which is in the wear direction of the carbon fitting 13 extends.

Die Ausnehmung 12 durchgreift die Kohlebürste 2 in ihrer Längsrichtung senkrecht zur Anschlussfläche 6. Die in der Ausnehmung 12 fixierte Kohlenstofffaseranordnung 10 ist im vorliegenden Fall als ein litzenförmiges Geflecht ausgebildet, mit einzelnen Kohlenstofffasern, die zur Versteifung im CVD- oder CVI-Verfahren mit pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff beschichtet sind.The recess 12 reaches through the carbon brush 2 in their longitudinal direction perpendicular to the pad 6 , The in the recess 12 fixed carbon fiber arrangement 10 In the present case, it is formed as a strand-like braid with individual carbon fibers coated with pyrolytically deposited carbon for stiffening in the CVD or CVI process.

An dem der Kontaktfläche 6 gegenüberliegenden Kontaktende der Kohlebürste 2 ist die Kohlenstofffaseranordnung 10 mittels eines Zweikomponenten-Epoxidkleberdepots 14 an der Kohlebürste 2 fixiert. Die Ausnehmung 12 ist derart ausgeführt, dass die Kohlenstofffaseranordnung 10 diese gänzlich ausfüllt, also quasi angeschmiegt in dieser eingebettet ist.At the contact surface 6 opposite contact end of the carbon brush 2 is the carbon fiber arrangement 10 by means of a two-component epoxy adhesive depot 14 on the carbon brush 2 fixed. The recess 12 is designed such that the carbon fiber arrangement 10 this completely fills, so nestled snugly in this is embedded.

In 3 ist ein Erdungskontakt abgebildet, wie er bei Schienenfahrzeugen zum Einsatz kommt. Der Erdungskontakt 22 nach 3 ist geeignet, elektrische Ströme zwischen einem feststehenden Fahrzeugteil eines Schienenfahrzeugs und einem rotierenden Fahrzeigteil, also etwa einer Radnabe zu übertragen. Hierzu sind in gleichmäßigen Abständen in einem Bürstenhalter 4 drei Kohlebürsten 2a, 2b, 2c angeordnet, welche senkrecht zur Kontaktfläche druckbeaufschlagt sind und je eine Kohlenstofffaseranordnung 10a, 10b, 10c aufweisen. Die Kohlenstofffaseranordnungen 10a, 10b, 10c sind jeweils in einer die Kohlebürsten 2a, 2b, 2c durchgreifenden Ausnehmung 12a, 12b, 12c angeordnet und mittels eines Zweikomponenten-Epoxidklebstoffdepots 14 an der jeweiligen Kohlebürste 2a, 2b, 2c fixiertIn 3 is a ground contact shown, as it comes in rail vehicles used. The ground contact 22 to 3 is suitable to transmit electrical currents between a stationary vehicle part of a rail vehicle and a rotating Fahrzeigteil, so about a hub. These are evenly spaced in a brush holder 4 three carbon brushes 2a . 2 B . 2c arranged, which are pressurized perpendicular to the contact surface and each a carbon fiber assembly 10a . 10b . 10c exhibit. The carbon fiber arrangements 10a . 10b . 10c are each in one of the carbon brushes 2a . 2 B . 2c thorough recess 12a . 12b . 12c arranged and by means of a two-component epoxy adhesive depot 14 on the respective carbon brush 2a . 2 B . 2c fixed

Die Kohlenstofffaseranordnungen 10a, 10b, 10c der Kohlebürsten 2a, 2b, 2c weisen unterschiedliche Abstände 16a, 16b, 16c zur Rotationsachse 8 auf. Um die Rotationsachse 8 rotiert die nicht weiter dargestellte Radachse des Schienenfahrzeugs und somit auch eine nicht näher dargestellte Gegenkontaktfläche der Radnabe, derart, dass die Kontaktfläche 6 an der Gegenkontaktfläche anliegt. Durch die unterschiedlichen Abstände 16a, 16b, 16c zur Rotationsachse 8 definiert jede der drei Kohlenstofffaseranordnungen 10a, 10b, 10c eine separate Kreisbahn 18a, 18b, 18c auf der Gegenkontaktfläche.The carbon fiber arrangements 10a . 10b . 10c the carbon brushes 2a . 2 B . 2c have different distances 16a . 16b . 16c to the axis of rotation 8th on. Around the rotation axis 8th rotates the wheel axle, not shown, of the rail vehicle and thus also a non-illustrated mating contact surface of the wheel hub, such that the contact surface 6 abuts against the mating contact surface. Due to the different distances 16a . 16b . 16c to the axis of rotation 8th defines each of the three carbon fiber arrangements 10a . 10b . 10c a separate circular path 18a . 18b . 18c on the mating contact surface.

Claims

Carbon brush ( 2 ) for forming an electrical contact between a current-carrying stator and a current-carrying rotor, such that one as a carbon molded piece ( 13 ) formed brush body formed contact surface ( 6 ) of the carbon brush against a mating contact surface of the stator or rotor, wherein the brush body has a preferably straight in the wear direction of the brush body extending secondary guide, which is arranged with a contact end in the contact surface of the brush body, characterized in that the secondary conductive device at least one carbon fiber assembly ( 10 ) having carbon fibers, the fiber ends are arranged in the contact surface.

Carbon brush according to claim 1, characterized in that the carbon fiber arrangement ( 10 ) within the brush body in a recess ( 12 ) is embedded.

Carbon brush according to one of claims 1 or 2, characterized in that the carbon fibers of the carbon fiber arrangement ( 10 ) are arranged in a support matrix.

Carbon brush according to one of claims 1 to 3, characterized in that the carbon fibers of the carbon fiber arrangement ( 10 ) form a fiber braid.

Carbon brush according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon fiber arrangement ( 10 ) is contacted with a connecting conductor of the carbon brush.

Carbon brush according to claim 5, characterized in that the contacting of the carbon fiber arrangement ( 10 ) via a tamping contact ( 11 ) he follows.

Carbon brush according to claim 6, characterized in that the tamping contact ( 11 ) in an oblique to the carbon fiber array aligned and in the recess ( 12 ) of the carbon fiber assembly ( 10 ) opening recess ( 20 ) is trained.

Carbon brush according to claim 6 or 7, characterized in that the secondary guiding device has two carbon fiber arrangements ( 10 ), of which at least one via a tamping contact ( 11 ) are contacted with a connecting conductor of the carbon brush.

Carbon brush according to claim 8, characterized in that both carbon fiber arrangements ( 10 ) via a tamping contact ( 11 ) are contacted with a connecting conductor of the carbon brush.

Grounding contact, in particular ground contact for a rail vehicle, for transmitting electrical currents between a stationary stator part forming a vehicle part and a vehicle part moving relative to the stationary vehicle part, forming a rotor, having at least one carbon brush (US Pat. 2 ) according to one of the preceding claims comprising brush assembly.

Earthing contact according to claim 10, characterized in that the brush arrangement at least two concentric to a rotation axis ( 8th ) of the brush arrangement arranged on a brush circle carbon brushes ( 2a . 2 B . 2c ) whose carbon fiber arrangements ( 10 ) with their contact ends at different contact points in the contact surface ( 6 ) of the brush body are arranged such that the contact points ( 10a . 10b . 10c ) different distances ( 16a . 16b . 16c ) to the axis of rotation of the brush assembly.

Earthing contact according to claim 10, characterized in that the brush arrangement at least two with different distances to a rotation axis ( 8th ) of the brush arrangement arranged on a brush circle carbon brushes ( 2a . 2 B . 2c ) whose carbon fiber arrangements ( 10 ) with their contact ends at matching contact points in the contact surface ( 6 ) of the brush body are arranged such that the contact points ( 10a . 10b . 10c ) different distances ( 16a . 16b . 16c ) to the axis of rotation of the brush assembly.