-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem mit mindestens einem Kohlekörper sowie mindestens einem Kollektor. Bei diesem Energieübertragungssystem kann es sich beispielsweise um einen Gleich- oder Wechselstrommotor, wie beispielsweise einen Startermotor in einem Kraftfahrzeug, einen Wischermotor oder Stellmotor handeln. Ferner kann es sich um einen Elektromotor in einem Haushaltsgerät, wie einem Staubsauger, Mixer usw. handeln. Neben dem Einsatz in derartigen Kleinmotoren kann das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem jedoch auch in großen Maschinen, Elektrolokomotiven, Kraftwerksgeneratoren oder auch in Windkraftanlagen zum Einsatz kommen.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kohlekörper, insbesondere eine Kohlebürste als Gleitkontakt in einem Motor oder Generator. Bei dem Kohlekörper kann es sich um einen elektrisch beanspruchten rotierenden oder gleitenden Kohlekörper zur Energieübertragung bei Systemen handeln, welche einen Kollektor aus reinem Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung enthalten.
-
Die aus dem Stand der Technik bekannten Energieübertragungssysteme weisen Kohlekörper, insbesondere Kohlebürsten auf, welche in der Regel aus Graphit mit bestimmten beigemengten Zusatzstoffen bestehen. Zur Stabilisierung eines definierten Energieübertragungssystems unter vorgegebenen Betriebszuständen werden dem Kohlekörper in der Regel entsprechende Zusatzstoffe beigemengt, welche einerseits schmierende und andererseits abrasive Wirkung aufweisen. Dadurch bleibt ein solches System auch noch stabil, wenn kurzfristig der optimale Betriebszustand verlassen wird. Die zulässige Bandbreite eines Betriebszustandes wird dadurch etwas erweitert. Ein langfristiges oder auch massives Abweichen vom vorgegebenen Betriebszustand kann jedoch durch diese Additive nicht gewährleistet werden. Die bisherigen Lösungsansätze führen dazu, dass die Bandbreite zwischen einer Über- oder Unterpatinierung am Kollektor durch die zugesetzten Additive sehr klein bemessen ist, was bei unerwarteter elektrischer Belastung zum Systemausfall führen kann.
-
So besteht eines der Hauptprobleme der bisher eingesetzten Kohlekörper darin, dass diese nach einer gewissen Zeit zunehmendem Verschleiß unterworfen sind. Dies gilt insbesondere beim Betrieb von Energieübertragungssystemen unter Bedingungen, bei welchen die Gefahr besteht, dass diese stärker von den ausgelegten Betriebszuständen abweichen. Mit den bisher bekannten Kohlekörpern, die in der Regel aus Graphiten mit metallischen Komponenten wie Kupfer, Silber oder andere Metalle sowie beigemengten Bindemitteln, wie Pech, Harze oder Kunststoffpulver bestehen, konnte dieses Problem bislang nicht behoben werden.
-
Unabhängig von der technischen Ausführung erfährt ein Energieübertragungssystem stetig sowohl mechanisch als auch elektrisch verursachte Veränderungen am gleitenden Kontakt (Kohlekörper wie auch Kollektor). Da ein solches Übertragungssystem stets auf bestimmte Betriebszustände und Umgebungsbedingungen ausgelegt werden muss, ergeben sich daraus auch entsprechende Grenzen, bei welchen ein System den optimalen Bereich verlässt bzw. sogar instabil wird. Dies kann dazu führen, dass entweder am Kohlekörper oder am Kollektor bzw. auch an beiden gleichzeitig übermäßiger Materialverschleiß eintritt, was letztlich in einer verkürzten Lebensdauer des Gesamtsystems resultiert.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energieübertragungssystem der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Energieübertragungssystem mit geringeren Verschleißerscheinungen zur Verfügung zu stellen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Energieübertragungssystem mit mindestens einem Kohlekörper sowie mindestens einem Kollektor gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kohlekörper mindestens ein Metallborid enthält.
-
Der Erfinder hat überraschenderweise festgestellt, dass der Materialverschleiß bei Kohlekörpern, welche ein Metallborid enthalten, stark minimiert werden kann, was letztlich in einer verlängerten Lebensdauer des Gesamtübertragungssystems resultiert.
-
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems enthält der Kohlekörper Lanthanhexaborid (LaB6). Es hat sich herausgestellt, dass dieses Borid besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweist.
-
Der Kohlekörper kann in Form einer Kohlebürste, eines Kohleschleifstücks, eines Kohlerings oder einer Kohlescheibe vorliegen. Dementsprechend können die daraus resultierenden Energieübertragungssysteme durchaus sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Prinzipiell sind als Kohlekörper ein- oder mehrphasige Materialien zu verstehen, welche Kohlenstoff in Form von Graphit, Koks und/oder Ruß als einen wesentlichen Bestandteil enthalten. Neben kohlenstoffhaltigen Phasen können des Weiteren metallische, keramische oder organische Phasen im Verbundmaterial enthalten sein. Metallische Komponenten wie zum Beispiel Kupfer, Silber oder Eisen dienen primär zur Senkung der widerstandsbedingten elektrischen Verluste. Keramische Inhaltsstoffe haben aufgrund ihrer hohen mechanischen Härte eine abrasive Wirkung auf das Kontaktsystem. Organische Zusätze können die Eigenschaften der Kohlekörper noch weiter gezielt beeinflussen.
-
Der Kollektor kann in Form eines Kommutators, eines Schleifrings, einer Schleifscheibe oder eines Drahtes vorliegen, welche in der Regel alle in den Kontaktzonen reines Kupfer, niedrig legiertes Kupfer oder typische Kupferlegierungen wie Bronze oder Messing aufweisen. Kupferhaltige Kollektoren werden wegen der guten elektrischen Leitfähigkeit zur Vermeidung größerer Energieverluste bei elektrisch stark beanspruchten elektrisch erregten Antriebssystemen eingesetzt (beispielsweise in Startermotoren in Kraftfahrzeugen).
-
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems liegt der Kohlekörper als Monoschicht-Kohlebürste vor. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Kohlekörper auch als Mehrschichtbürste vorliegen. Bei Starterkohlebürsten wird dann üblicherweise von Leistungs- und Kommutierungsschicht gesprochen. Die Bezeichnung Leistungsschicht rührt daher, dass diese die Funktion einer möglichst verlustarmen Übertragung des Arbeitsstroms auf die Lamellen des Kommutators hat. Die Kommutierungsschicht dagegen dient zur Vernichtung des in den Spulen durch Selbstinduktion verursachten (entgegengerichteten) Stroms und soll daher einen verhältnismäßig hohen Widerstand aufweisen.
-
Vorzugsweise ist das Metallborid mit einem Anteil von bis zu 10 Masseprozent im Kohlekörper enthalten. Dieser Prozentsatz an enthaltenem Metallborid hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
-
In der Regel ist der Kohlekörper pulvermetallurgisch hergestellt, wobei zumindest ein Metallborid als Pulver eingebracht ist.
-
Das Metallborid ist nicht als Metallborid-Schicht auf den Kohlekörper aufgebracht. Besonders bevorzugt ist das Metallborid im Wesentlichen homogen im Kohlekörper verteilt.
-
Mit Vorteil unterschreitet das Metallborid eine mittlere Partikelgröße von 200 μm. Es hat sich herausgestellt, dass Metallborid mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als 200 μm besonders vorteilhafte Eigenschaften im Kohlekörper hinsichtlich Verschleißarmut bewirkt.
-
Das Metallborid kann alternativ durch chemische Reaktion einer entsprechenden Metallverbindung und einer bohrhaltigen Verbindung bei der Herstellung des Kohlekörpers gebildet.
-
Die Erfindung betrifft ferner einen Kohlekörper, insbesondere eine Kohlebürste als Gleitkontakt in einem Motor oder Generator, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass er mindestens ein Metallborid enthält. Ein derartiger Kohlekörper bewirkt in einem Energieübertragungssystem die oben genannten Vorteile. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kohlekörpers sind ebenfalls oben im Rahmen des Energieübertragungssystems beschrieben.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen und den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
-
In den Zeichnungen zeigen:
-
1 ein Stromübertragungssystem mit Kohlebürste und Trommelkommutator;
-
2 Energieübertragungssystem zur Abnahme von elektrischer Energie aus einem Fahrdraht;
-
3 ein den Bürstenverschleiß einer Referenzbürste sowie einer modifizierten Kohlebürste darstellendes Diagramm;
-
4 ein den Kommutatorverschleiß der Referenzbürste sowie der modifizierten Kohlebürste darstellendes Diagramm;
-
5a ein den Rundlauf der Referenzbürste darstellendes Diagramm nach 40.000 Startzyklen;
-
5b ein den Rundlauf der modifizierten Kohlebürste darstellendes Diagramm nach 40.000 Startzyklen;
-
6a ein den Rundlauf der Referenzbürste darstellendes Diagramm nach 60.000 Startzyklen;
-
6b ein den Rundlauf der modifizierten Kohlebürste darstellendes Diagramm nach 60.000 Startzyklen.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Energieübertragungssystems 1 mit einer Kohlebürste 2 und einem Trommelkommutator 3. Das Energieübertragungssystem 1 kann beispielsweise für ein Startermotorsystem sein. Die großen Pfeile in 1 symbolisieren die Bürstenpressrichtung (tangential), zeigen also an, dass die Kohlebürste 2 bei ihrer Herstellung tangential gepresst wurde. Der kleine Pfeil in 1 zeigt die Bürstenanpressrichtung in Richtung auf den Trommelkommutator 3. Der Trommelkommutator 3 ist mit einer Mehrzahl von Lamellen 4 ausgeführt.
-
Die Kohlebürste 2 ist in der vorliegenden Darstellung als Mehrschichtbürste mit einer Leistungs- und einer Kommutierungsschicht ausgebildet. Die Zusammensetzung der Kohlebürste 2 ist im Beispiel 2 (siehe unten) wiedergegeben. Die Kohlebürste 2 weist also in ihrer Leistungsschicht homogen verteiltes Lanthanhexaborid mit einem Anteil von 5% auf.
-
2 zeigt ein weiteres Energieübertragungssystem
5, welches zur Abnahme von elektrischer Energie aus einem Fahrdraht
6 über zwei Kohleschleifstücke
7 dient. Der Fahrdraht kann aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Die Schleifstücke
7 werden durch eine mechanische Hebevorrichtung
8 von unten an den Fahrdraht
6 angepresst und die nötige Energie wird für den Antrieb und andere elektrische Verbraucher abgenommen. Die Kohleschleifstücke bestehen aus Koks, Graphit, Kupfer sowie Lanthanhexaborid. Die prozentuale Zusammensetzung ist im Beispiel 3 unten wiedergegeben. Ausführungsbeispiele: (Zusammensetzungen in Masseprozent) Beispiel 1: Mono-Kohlebürste
| Kupfer | 50% |
| Grafit | 40% |
| Molybdändisulfid | 4% |
| Siliziumdioxid | 1% |
| Lanthanhexaborid | 5% |
Beispiel 2: Zweischichtkohlebürste für Starteranwendung
| | Leistungsschicht | Kommutierungsschicht |
| Kupfer | 50% | 25% |
| Grafit | 40% | 70% |
| Molybdändisulfid | 4% | 4% |
| Siliziumdioxid | 1% | 1% |
| Lanthanhexaborid | 5% | 0% |
Beispiel 3: Kohleschleifstück
| Koks | 50% |
| Grafit | 20% |
| Kupfer | 25% |
| Lanthanhexaborid | 5% |
-
Vergleichsversuch: Vergleich der Lebensdauer anhand der Verschleißraten von Kohlebürsten (3) und Kommutatoren (4) für eine Starteranwendung bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Kohlebürste mit Lanthanhexaborid
-
Anmerkung: Die erfindungsgemäße Bürstenvariante unterscheidet sich von der Referenzbürste nur durch den Zusatz von Lanthanhexaborid
-
Das in 3 dargestellte Diagramm zeigt den Bürstenverschleiß für die verwendete Referenzbürste (Strichpunktierte Linien) sowie für die modifizierte Kohlebürste mit Lanthanhexaborid (durchgehende Linien). Die beiden identisch dargestellten Linien stellen dabei jeweils den Minimal- und Maximalverschleiß bei jeder Variante dar. In den ersten 40.000 Startzyklen sind die Tendenzen noch sehr ähnlich. Durch den zunehmend unregelmäßiger werdenden Rundlauf des Kommutators (vgl. 5a und 5b sowie 6a und 6b) steigt der Bürstenverschleiß bei der Referenzbürste innerhalb der letzten 20.000 Zyklen deutlich stärker an, während die modifizierte Bürste nahezu gleichbleibend niedrig weiter verschleißt.
-
Der Kommutatorverschleiß verläuft, wie 4 zu erkennen ist, bei beiden Startersystemen über die gesamte Testdauer nahezu identisch.
-
Die beiden in 5a und 5b dargestellten Diagramme zeigen die Rundläufe der beiden Kommutatoren nach 40.000 Startzyklen. Diese sind qualitativ praktisch vergleichbar.
-
Wie in 6a und 6b gezeigt, sind nach dem Ende der Tests (60.000 Zyklen) anhand der Lamellenstruktur klare Unterschiede erkennbar. Während jene bei Verwendung der Referenzbürste beidseitig sehr spitz zu-/ablaufen, weisen die Lamellen bei der modifizierten Bürste eine wellenförmige Struktur mit daraus resultierend sehr ebenen Lamellenübergängen auf – was die Lebensdauer dieses Systems deutlich steigert.
