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Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrschicht-Kohlebürste mit zumindest zwei Funktionsschichten aus elektrisch leitendem Material, wie Kohlenstoffmaterial, und zumindest einer zwischen diesen vorhandenen Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste mit zumindest zwei Funktionsschichten aus elektrisch leitendem Material, wie Kohlenstoffmaterial, und zumindest einer Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material, die zwischen aufeinander folgenden Funktionsschichten verläuft, wobei schichtweise das elektrisch leitende Material oder ein dieses als Füllstoff enthaltendes Material und das elektrisch isolierende Material im Schichtverlauf der herzustellenden Mehrschicht-Kohlebürste entsprechender Reihenfolge in eine Form eingebracht, sodann verpresst und anschließend wärmebehandelt werden.
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Der
DE 199 13 599 A1 ist eine Mehrschicht-Kohlebürste zu entnehmen, die mehrere untereinander elektrisch isolierend verklebte Funktionsschichten aus insbesondere Kohlenstoffmaterial aufweist. Die elektrisch isolierende Verklebung stellt eine Isolierschicht dar.
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Es sind auch als Mehrschicht-Kohlebürste bezeichnete Kohlebürsten bekannt, bei denen die Schichten jeweils elektrisch leitend sind, jedoch gegebenenfalls unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Eine entsprechende Kohlebürste ist dem
DE 91 06 977 U1 zu entnehmen. Die verschiedenen Schichten – auch Zonen genannt –, die unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufweisen, können dadurch ausgebildet werden, dass vor dem Pressen der Kohlebürsten nacheinander zwei Ausgangsschichten mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen in eine Pressform eingebracht und zusammen miteinander verpresst werden. Dabei kann eine Zone einen höheren Kupferanteil als die andere aufweisen.
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Eine als Vielschicht-Schleifkontakt bezeichnete Kohlebürste nach der
DE 44 30 745 weist Schichten auf, die jeweils aus leitendem Pulver bestehen. Zur Herstellung des Vielschicht-Schleifkontaktes werden in eine Form gleichzeitig zwei leitende Pulver eingefüllt, um nach einem Kompressionsschritt eine Wärmebehandlung durchzuführen. Neben dem Ausbilden von Schichten durch gleichzeitiges Einbringen von Pulver in eine Form können zusätzlich Schichten dadurch ausgebildet werden, dass elektrisch leitendes Pulver nacheinander der Form zugeführt wird.
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Aus der
DE-C-636 540 ist ein Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Kohlebürsten bekannt. Fertige Kohleschichten werden glatt geschliffen und zwischen zwei fertige Kohleschichten dickflüssiges Kunstharz mit Isolierstoff angeordnet, um sodann die Kohleschichten in einem geeigneten Presswerkzeug einzuspannen, um eine Trocknung in einem Ofen zu ermöglichen.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtstoffes aus Kohlenstoff ist der
DE 33 07 090 A1 zu entnehmen. Zur Erzielung gewünschter Endkörper werden durch Pressen und Wärmebehandlung zwischen übereinander anordbaren Kohlenstoffschichten wie Kohlestofffilzschichten Folien aus einem thermoplastischen Kunststoff angeordnet, um sodann gewünschten Drücken und Temperaturen ausgesetzt zu werden.
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Die
DE 199 02 938 A1 bezieht sich auf eine Kohlebürste, die aus Abschnitten unterschiedlicher Stoffzusammensetzungen besteht. Die Kohlebürste wird dabei in einem Pressvorgang hergestellt.
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Aus der
EP 1 128 A1 ist eine Starter-Kohlebürste bekannt, die aus einer ersten Schicht aus einem Material niedrigen Widerstands und einer Randschicht aus einem Material hohen Widerstandes besteht, die von der Lauffläche der Kohlebürste ausgehend im Abstand zur gegenüberliegenden Rückseitenfläche endet. Die erste und zweite Schicht werden gemeinsam in einer Form durch Einfüllen von Pulver in diese, Pressen und anschließendes Sintern hergestellt.
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Mehrschicht-Kohlebürsten, die aus Kohleriegeln und zwischen diesen verlaufenden Isolierschichten bestehen, werden häufig für kleinere reversierbare Motoren wie z. B. Waschmaschinenmotoren eingesetzt. Die Isolierschicht kann dabei aus einer Folie oder aus isolierendem Klebstoff bzw. synthetischem Harz, einem oder mehreren Pulverharzen bestehen. Durch den höheren Querwiderstand wird der Strom, der zwischen den beiden von der Kohlebürste überdeckten Lamellen eines Kommutators fließt, reduziert und somit die Kommutierung verbessert.
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Die bekannten Mehrschicht-Kohlebürsten zuvor beschriebener Art werden üblicherweise derart hergestellt, dass zunächst temperaturbehandelte Kohlenstoffplatten zueinander ausgerichtet werden, um zwischen diesen sodann eine Folie einzubringen. Anschließend erfolgt eine mechanische Bearbeitung, eine Maßbearbeitung und Einbringen der Seile oder Litzen.
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Eine Mehrschicht-Kohlebürste sowie ein Verfahren zu deren Herstellung der eingangs genannten Art ist der
EP 1 481 449 B1 zu entnehmen. Zur Herstellung der Kohlebürste werden Pulvermaterialien schichtweise in eine Form eingebracht, verpresst und anschließend wärmebehandelt. Als Pulvermaterialien kommen für die elektrisch leitenden Funktionsschichten Mischungen aus Naturgraphit, synthetischem Graphit, Harz in Frage. Als isolierende Materialien werden Harzpulver vorgeschlagen.
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Beim Befüllen der Form hat sich jedoch gezeigt, dass die zur Herstellung der elektrisch isolierenden Schicht verwendeten Pulvermaterialien nicht im hinreichen Umfang fließfähig sind, um Schichten aufzubauen, die nach dem Verpressen die gewünschte gleichmäßige Dicke über die gesamte Höhe bzw. Länge der Kohlebürste aufweisen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Mehrschicht-Kohlebürste der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die aus elektrisch isolierendem Material bestehende Isolierschicht eine gewünschte gleichmäßige Dicke über die gesamte Höhe bzw. der Länge der Kohlebürste aufweist. Auch soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, mit dem die zur Herstellung der Isolierschicht verwendeten Materialien in hinreichendem Umfang fließfähig sind, so dass in die Form zur Bildung der elektrisch isolierenden Schichten ein die Form gut füllendes Material eingebracht werden kann, so dass die Isolierschicht der fertigen Kohlebürste die gewünschte gleichmäßige Dicke aufweist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Mehrschicht-Kohlebürste der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die sich im Wesentlichen dadurch auszeichnet, dass das elektrisch isolierende Material aus einer Mischung aus Bindemittel und Bornitrid besteht oder Bindemittel und Bornitrid enthält. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Bindemittel ein Harz, insbesondere Phenolharz ist. Als Bindemittel kommen aber auch Pech oder eine Mischung aus Harz und Pech in Frage.
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Bei dem Bornitrid handelt es sich insbesondere um Bornitrid in der graphitähnlichen hexagonalen Modifikation, das gute Schmiermitteleigenschaften aufweist.
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Ist hexagonales Botnitrid als besonders bevorzugt anzugeben, so kann ggfs. auch kubisches Bornitrid verwendet werden.
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Unabhängig hiervon wird die Erfindung auch dann nicht verlassen, wenn Bornitrid durch andere Materialien zumindest teilweise ersetzt wird, die reibwertsreduzierende und elastifizierende Eigenschaften bzw. Wirkung von isolierenden Schmierstoffen aufweisen. Beispielhaft ist zu nennen Molybdänsulfid, Bentonit, Wolframsulfid, Carcassenruß oder Talcum.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass ein Bindemittel, insbesondere Phenolharz, und eine Bornitrid enthaltende feinkörnige Mischung bzw. ein Granulat, das aus diesen Materialien besteht, hinreichend fließfähig ist, so dass sich eine Form, in der die Kohlebürste hergestellt wird, im gewünschten Umfang und in der Höhe gleichmäßig befüllen lässt.
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In hervorzuhebender Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Isolierschicht aus einem verpressten Granulat aus einer homogenisierten Mischung aus Bindemittel, insbesondere Phenolharz, und Bornitrid, insbesondere hexagonalem Bornitrid, gebildet ist.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Granulat aus Körnern eines mittleren Durchmessers zwischen 125 µm und 250 µm besteht. Ferner sollte das Granulat durch eine Korngrößenverteilung d90 ≤ 250 µm und/oder d50 ≤ 100 µm, insbesondere 50 µm ≤ d50 ≤ 350 µm ausgezeichnet sein.
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Die Isolierschicht ist insbesondere derart zusammengesetzt, dass der Anteil von dem Bindemittel, insbesondere dem Phenolharz, sich zu dem Anteil von Bornitrid verhält wie 2:1 bis 0,8:1.
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Bevorzugterweise sollte das Bindemittel, das erwähntermaßen ein Harz und/oder Pech ist, einen maximalen Gewichtsanteil von 60 Gew.-% und einen minimalen Gewichtsanteil von 20 Gew.-% des elektrisch isolierenden Materials betragen. Insbesondere sollten die Gewichtsverhältnisse von Bornitrid:Bindemittel 65 Gew.-%:35 Gew.-% oder 50 Gew.-%:50 Gew.-% betragen.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste, insbesondere zuvor erfolgter Charakterisierung, zeichnet sich dadurch aus, dass als das elektrisch isolierende Material ein feinkörniges Pulver oder ein Granulat einer homogenisierten Mischung aus einem Bindemittel und Bornitrid in die Form eingebracht wird.
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Hervorzuheben ist des Weiteren, dass zur Herstellung der Mehrschicht-Kohlebürste nach Einbringen von dem jeweils eine Schicht bildenden Material, dieses zunächst vorverdichtet wird, bevor das Material der nachfolgenden Schicht eingebracht wird. Ist das Material der letzten Schicht eingebracht, so erfolgt die Endverdichtung.
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In hervorzuhebender Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Bornitrid, also insbesondere das hexagonale Bornitrid, und Bindemittelpulver, gleichfalls bevorzugt Phenolharzpulver, homogenisiert werden und sodann durch ein aufbauendes Verfahren, insbesondere Wirbelschichtverfahren, das Granulat hergestellt wird.
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Unabhängig hiervon kann das Bornitrid zumindest teilweise durch eines oder mehrere Ersatzmaterialien ersetzt werden, die reibwertsreduzierende und elastifizierende Eigenschaften bzw. isolierende Schmierstoffeigenschaften aufweisen. Als solche kommen insbesondere in Frage Molybdänsulfid (MoS2), Bentonit, Wolframsulfid (WS2), Talcum, Carcassenruß und/oder Mischungen dieser.
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Auch ist zu erwähnen, dass ggfs. auch kubisches Bornitrid verwendet werden könnte, gleichwenn hexagonales Bornitrid besonders geeignet und hervorzuheben ist, das als Bestandteil für das elektrisch isolierende Material zusammen mit einem Bindemittel wie Harz und/oder Pech zum Einsatz gelangt.
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Alternativ kann auch ein abbauendes Verfahren zum Einsatz gelangen. Dabei werden aus der homogenisierten Mischung aus dem insbesondere hexagonalen Bornitridpulver und dem Bindemittel wie Phenolharz durch Pressen zunächst ein oder mehrere Körper hergestellt, um sodann insbesondere durch Mahlen des bzw. der Körper das Granulat gewünschter Korngröße herzustellen.
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Als Bindemittelpulver wird insbesondere ein Pulver einer Korngrößenverteilung 1 bis 100 µm verwendet. Diese Werte gelten insbesondere für Phenolharzpulver.
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Als Bornitridpulver sollte ein solches verwendet werden, das eine Korngrößenverteilung d90 ≤ 7 µm und/oder d50 5 µm, insbesondere 1 µm ≤ d50 ≤ 10 µm, und/oder d10 ≤ 3 µm aufweist.
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D10, d50 bzw. d90 bedeutet, dass 10 %, 50 % bzw. 90 % der vorhandenen Partikel kleiner als der angegebene Wert für den Durchmesser sind.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Bindemittelpulver mit dem Bornitridpulver im Verhältnis von 1:2 bis 1:0.8 gemischt wird, wobei bevorzugterweise der Anteil von Phenolharzpulver gleich dem des Bornitridpulvers sein kann. Die Anteile beziehen sich dabei jeweils auf das Gewicht der Mischung.
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Bevorzugterweise werden 50 Gew.-% Bornitrid und 50 Gew.-% Phenolharz verwendet. Gute Ergebnisse lassen sich jedoch auch dann erreichen, wenn 35 Gew.-% Bindemittel wie Phenolharzpulver und 65 Gew.-% Bornitridpulver gemischt werden.
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Wird als Bindemittel bevorzugterweise ein Harz verwendet, so besteht auch die Möglichkeit, das Harz ganz oder teilweise durch Pech zu ersetzen.
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Als elektrisch leitendes Material wird vorzugsweise eine Mischung aus Naturgraphit und synthetischem Graphit benutzt. Bezogen auf diesen Gesamtgewichtsanteil können sodann in etwa 25 Gew.-% Harz, wie Phenolharz, und in etwa 40 Gew.-% Pech hinzugegeben werden, um beispielhaft Zahlenwerte anzugeben, d. h., insgesamt 100 Gewichtseinheiten Naturgraphit und synthetisches Graphit, 25 Gewichtseinheiten Harz und 40 Gewichtseinheiten Pech, letztere bezogen jeweils auf die 100 Gewichtseinheiten.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste mit drei Funktionsschichten,
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2 einen Teil der Kohlebürste nach 1,
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3 eine Prinzipdarstellung einer Form zur Herstellung von Platten und
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4 Mehrschicht-Platten zur Herstellung von Mehrschicht-Kohlebürsten.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste. Unter Mehrschicht-Kohlebürste wird dabei eine solche verstanden, bei der zwischen zwei aus elektrisch leitendem Material bestehenden Funktionsschichten aus Kohlenstoffmaterial oder dieses enthaltend – auch Kohleriegel genannt – eine Isolierschicht verläuft. Dabei umfasst die erfindungsgemäße Lehre die Herstellung von Mehrschicht-Kohlebürsten mit zwei oder mehr Funktionsschichten.
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In 1 ist rein prinzipiell eine Mehrschicht-Kohlebürste 10 mit drei Kohleriegeln 12, 14, 16 dargestellt, die gegeneinander über Isolierschichten 18 elektrisch isoliert sind.
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Die Kohleriegel 12, 14, 16 sowie die Isolierschichten 18 verlaufen senkrecht zur Lauffläche 20 der Kohlebürste. Von der Lauffläche 20 gegenüberliegender Fläche 22 geht ein Stampfkontakt 24 mit Seil bzw. Litze 26 aus. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Bauarten von Mehrschicht-Kohlebürsten zuvor beschriebener Art verwiesen.
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Zur Herstellung von Mehrschicht-Kohlebürsten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die die einzelnen Schichten 12, 14, 16, 18 bildenden Materialien nacheinander in der gewünschten Schichtreihenfolge in ein Gesenk 28 einer Pressvorrichtung 30 eingebracht werden. In dem Gesenk 28 ist ein Stempel 32 verstellbar angeordnet, um im gewünschten Umfang das Gesenk 28 mit verschiedenen Materialien zu füllen. Nach dem Einfüllen des jeweiligen eine Schicht bildenden Materials wird mittels eines Schiebers 34 überschüssiges Material entfernt. Sodann erfolgt ein Vorverdichten des eingebrachten Materials – und zwar nach jeweiligem Befüllen des Materials einer jeden Schicht.
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Nachdem in das Gesenk 28 schichtweise die gewünschten Materialien – einerseits aus Kohlenstoff und andererseits aus elektrisch isolierendem Material – eingebracht worden sind und nach jedem Einbringen des Materials für eine Schicht ein Vorverdichten erfolgt ist, wird nach Befüllen des Freiraums des Gesenks 28 mit dem Material für die oberste Schicht eine Endverdichtung durchgeführt. Vorverdichten und Endverdichten erfolgt über einen Stempel 36.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Querschnitt des Gesenks 28 derart ist, dass sich eine Mehrschichtplatte 38 ergibt, die nach Entfernen aus dem Gesenk 28 und Wärmebehandlung in gewohnter Weise in Abschnitte 40, 42, 44 unterteilt wird, deren Abmessungen denen der herzustellenden Mehrschicht-Kohlebürsten entsprechen. Sodann erfolgt eine Maßbearbeitung der Abschnitte 40, 42, 44 und Einsetzen des Seils in gewohnter Weise.
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Die in 4 dargestellte Platte 38 besteht aus den aus Kohlenstoffmaterial bestehenden Funktionsschichten 46, 48, zwischen denen die aus elektrisch isolierendem Material bestehende Schicht 50 verläuft, die aus einem homogenisierten Granulatgemisch aus Phenolharz und hexagonalem Bornitrid hergestellt worden ist. Dabei sollte der Gewichtsanteil von Phenolharz zwischen 60 % und 30 % und der des Bornitrids zwischen 40 % und 70 % liegen.
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Bei dem Bornitrid handelt es sich insbesondere um hexagonales Bornitrid, gleichwenn auch kubisches Bornitrid verwendet werden könnte. Auch besteht die Möglichkeit, dass das Bornitrid zumindest teilweise durch zumindest ein Ersatzmaterial aus der Gruppe Molybdänsulfid (MoS2), Bentonit, Wolframsulfid (WS2), Talcum, Carcassenruß, Mischungen dieser ersetzt wird.
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Die Dicke der aus dem elektrisch isolierenden Material bestehenden Schicht 50 kann im Bereich zwischen 30 µm und 400 µm, insbesondere im Bereich zwischen 100 µm und 200 µm liegen. Entsprechend sind die mittleren Durchmesser der das Granulat bildenden Körner auszuwählen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19913599 A1 [0002]
- DE 9106977 U1 [0003]
- DE 4430745 [0004]
- DE 636540 C [0005]
- DE 3307090 A1 [0006]
- DE 19902938 A1 [0007]
- EP 1128 A1 [0008]
- EP 1481449 B1 [0011]
