DE102015104474A1 - Kohlenstoffprodukt - Google Patents

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Abstract

Ein Kohlenstoffprodukt ist aus Mesokohlenstoff-Mikroperlen und Graphit hergestellt. Vorzugsweise beträgt der Massenanteil von Mesokohlenstoff- Mikroperlen 50–99% und der Massenanteil von Graphit 1-50%. Wenn der Graphit Kohlegraphit ist, hat das Kohlenstoffprodukt vorzugsweise eine Dichte in dem Bereich von 1,6–1,8 g/cm3 und einen spezifischen Widerstand in dem Bereich von 2000–8000 μΩ.cm. Wenn der Graphit Elektrographit ist, hat das Kohlenstoffprodukt vorzugsweise eine Dichte in dem Bereich von 1,85–1,95 g/cm3 und einen spezifischen Widerstand in dem Bereich von 2000–8000 μΩ.cm. Das Kohlenstoffprodukt kann eine Kohlebürste (12), ein Kohlelager (14), eine Kohledichtung (16) oder ein Bürstenkontaktelement (70) für einen Kommutator (10) eines Elektromotors sein.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffprodukts und ein Kohlenstoffprodukt, insbesondere einen Kommutator mit Kohlesegmenten für einen Permanentmagnet- Gleichstrommotor (PMDC-Motor).
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bisherige Produkte, die auf dem Markt erhältlich sind, einschließlich Kohlebürsten, Graphitscheiben und Kohlelager, sind aus Elektrographit (EG), Kohlenstoffgraphit (CG) und harzgebundenen Graphit-(RG)-Werkstoffen hergestellt.
  • EG-Werkstoffe sind Kohlenstoffgraphitwerkstoffe, die bei Temperaturen von über 2500°C graphitiert werden, um basischen amorphen Kohlenstoff in künstlichen Graphit umzuwandeln. Die Rohmaterialen umfassen Petrolkoks, Ruß, Kohlenkoks und Pech als Bindemittel.
  • CG-Werkstoffe bestehen aus einem Koks- und Graphitpulvergemisch, das mit Pech oder Harz agglomeriert wird. Dieses Pulver wird zu Blöcken geformt, die bei Temperaturen von circa 1000°C gebrannt werden, um das Bindemittel in Koks umzuwandeln. Diese Sorten werden nicht graphitiert. Die Rohmaterialien umfassen natürlichen/künstlichen Graphit, Petrolkoks, Ruß, Kohlenkoks und Pech/Phenolharz als Bindemittel.
  • RG-Werkstoffe sind pulverförmiger natürlicher oder künstlicher Graphit gemischt mit in Wärme aushärtendem Harz. Das Gemisch wird dann gepresst und bei einer geeigneten Härtungstemperatur von circa 200°C polymerisiert. Die Rohmaterialien umfassen natürlichen/künstlichen Graphit, Petrolkoks, Ruß, Kohlenkoks, mit Pech/Phenol- oder Epoxidharz als Bindemittel.
  • Das Hauptproblem bei bisherigen EG-, CG- und RG-Produkten sind die notwendigen langwierigen und komplizierten Verarbeitungsschritte, wodurch die Material- und Herstellungskosten steigen. Ein weiteres Problem bei bisherigen EG-, CG- und RG-Produkten ist die geringe Festigkeit und die kurze Lebensdauer.
  • Es wird daher ein Kohlenstoffprodukt benötigt, dessen Herstellungsschritte einfacher sind, und darüber hinaus ein Kohlenstoffprodukt, das über eine höhere Festigkeit verfügt.
  • ÜBERSICHT
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kohlenstoffprodukt aus Mesokohlenstoff-Mikroperlen bereitgestellt, bei dem der Massenanteil von Mesokohlenstoff-Mikroperlen 50–99% und Massenanteil von Graphit 1–50% beträgt.
  • Bevorzugt beträgt der Massenanteil von Mesokohlenstoff- Mikroperlen 70–80% und der Massenanteil von Graphit 20–30%.
  • Bevorzugt hat das Kohlenstoffprodukt eine Dichte in dem Bereich von 1,6–1,8 g/cm3 und einen spezifischen Widerstand in dem Bereich von 2000–8000 μΩ.cm. Dieses ist besonders geeignet für Produkte, bei denen der Graphit CG ist.
  • Wahlweise hat das Kohlenstoffprodukt eine Dichte in dem Bereich von 1,85–1,95 g/cm3 und einen spezifischen Widerstand in dem Bereich von 500–2000 μΩ.cm. Dieses ist besonders geeignet für Produkte, bei denen der Graphit EG ist.
  • Bevorzugt ist das Kohlenstoffprodukt eine Kohlebürste, ein Kohlelager, eine Kohledichtung oder eine Bürstenkontaktfläche.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kommutator für einen Elektromotor bereitgestellt, umfassend: eine Basis aus Isoliermaterial; ein an der Basis befestigtes elektrisch leitendes Element, wobei das elektrisch leitende Element eine Vielzahl von Stäben mit jeweils einer Zunge für den Anschluss eines Leitungsdrahts des Motors umfasst; und ein eine Bürstenkontaktfläche bildendes Kontaktelement, wobei das Kontaktelement eine Vielzahl von Segmenten umfasst, die jeweils mit einem Stab elektrisch verbunden sind, wobei das Kontaktelement Mesokohlenstoff- Mikroperlen und Graphit umfasst.
  • Bevorzugt ist der Massenanteil von Mesokohlenstoff-Mikroperlen in dem Kontaktelement größer als 1%, jedoch kleiner als 100%, und der Massenanteil von Graphit in dem Kontaktelement kleiner als 99%.
  • Bevorzugt beträgt der Massenanteil von Mesokohlenstoff- Mikroperlen in dem Kontaktelement 50–99% und der Massenanteil von Graphit in dem Kontaktelement 1–50%.
  • Bevorzugt beträgt der Massenanteil von Mesokohlenstoff- Mikroperlen in dem Kontaktelement 70–80% und der Massenanteil von Graphit in dem Kontaktelement 20–30%.
  • Bevorzugt ist der Graphit natürlicher Graphit oder künstlicher Graphit.
  • Bevorzugt ist der Durchmesser der Mesokohlenstoff-Mikroperlen kleiner als 150 μm.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffprodukts angegeben: umfassend das Mischen von Mesokohlenstoff-Mikroperlen und Elektrographit; das isostatische Pressen des Gemisches aus Mesokohlenstoff-Mikroperlen und Elektrographit zur Bildung eines Rohlings; das Sintern des Rohlings; das Graphitieren des gesinterten Rohlings; und die maschinelle Bearbeitung des graphitierten Rohlings zur Herstellung einer vorgegebenen Form des Kohlenstoffprodukts.
  • Bevorzugt umfasst das Verfahren vor dem Schritt des Mischens das Sieben der Mesokohlenstoff-Mikroperlen, um Mesokohlenstoff-Mikroperlen auszuwählen, deren Größe kleiner als eine vorgegebene Größe ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffprodukts angegeben, umfassend: das Vermischen von pulverisierten Mesokohlenstoff-Mikroperlen und pulverisiertem Kohlenstoffgraphit; das Kneten des Gemisches aus Mesokohlenstoff-Mikroperlen und Graphitpulver; das Verdichten des Pulvergemisches zum Bilden eines Rohlings; das Sintern des Rohlings; und die maschinelle Bearbeitung des gesinterten Rohlings, um das Kohlenstoffprodukt zu bilden.
  • Bevorzugt wird das Pulver nach dem Schritt des Knetens und vor dem Schritt des Verdichtens gesiebt.
  • Bevorzugt wird das Pulver nach dem Schritt des Siebens und vor dem Schritt des Verdichtens gemischt.
  • Bevorzugt wird der Rohling so gesintert, dass die Dichte des gesinterten Rohlings in dem Bereich von 1,6–1,8 g/cm3 und der spezifische Widerstand des gesinterten Rohlings in dem Bereich von 2000–8000 μΩ.cm liegt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Zeichnungsfigur erscheinen, sind in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, grundsätzlich identisch gekennzeichnet. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen sind im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Die Figuren sind nachstehend aufgelistet.
  • 1 zeigt einen beispielhaften Kommutator eines Elektromotors mit einer Bürstenkontaktfläche aus Kohle;
  • 2 ist eine Fotographie zur Darstellung der Mikrostruktur von Mesokohlenstoff-Mikroperlen;
  • 3 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Kohlenstoffprodukts;
  • 4 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung eines weiteren Verfahrens zur Herstellung eines Kohlenstoffprodukts;
  • 5 zeigt eine exemplarische Kohlebürste für einen Elektromotor, die ein Beispiel eines Kohlenstoffprodukts ist;
  • 6 zeigt ein exemplarisches Kohlelager, das ein weiteres Beispiel eines Kohlenstoffprodukts ist; und
  • 7 zeigt eine exemplarische Kohledichtung, die ein weiteres Beispiel eines Kohlenstoffprodukts ist.
  • DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Zur Vereinfachung der Beschreibung wird als Beispiel eines Kohlenstoffprodukts der vorliegenden Erfindung ein Kommutator eines Elektromotors gewählt.
  • 1 zeigt einen Kommutator 10 eines Elektromotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kommutator hat eine Basis aus einem Isoliermaterial wie Phenolharz, ein elektrisch leitendes Element 50, das an der Basis 30 befestigt ist, und ein Kontaktelement 70, das eine Bürstenkontaktfläche bildet, die für einen Gleitkontakt mit Bürsten des Motors konfiguriert ist. Das leitende Element 50 umfasst eine Vielzahl von Stäben 52, die voneinander beabstandet sind und jeweils eine für die Verbindung mit dem Leitungsdraht des Motors konfigurierte Zunge aufweisen. Das Kontaktelement 70 umfasst eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Segmenten 72, die in einer Umfangsrichtung des Kommutators 10 angeordnet sind. Jedes Segment 72 ist mit einem entsprechenden Stab 52 des leitenden Elements 50 leitend verbunden. Der dargestellte Kommutator hat eine ebene Bürstenkontaktfläche, wobei die Erfindung ebenso bei Kommutatoren anwendbar ist, deren Bürstenkontaktfläche zylindrisch ist.
  • Das Kontaktelement 70 ist aus Mesokohlenstoff-Mikroperlen und Graphit hergestellt. Vorzugsweise beträgt der Massenanteil von Mesokohlenstoff-Mikroperlen 1 bis 99% und der Massenanteil von Graphit 1 bis 99%. Noch mehr bevorzugt beträgt der Massenanteil von Mesokohlenstoff- Mikroperlen 70–80% und der Massenanteil von Graphit 20–30%.
  • 2 ist eine Fotographie, die die Mikrostruktur der Mesokohlenstoff-Mikroperlen zeigt. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben die Mesokohlenstoff-Mikroperlen eine Mikrogröße und können aus Pech gewonnen werden. Wenn Pech auf etwa 200°C erwärmt wird, wird es zu einer Schmelze, und die Translationsenergie, die durch die Temperatur auf Moleküle ausgeübt wird, ist größer als die Kohäsionsenergie. Dadurch entsteht eine neue homogene Nukleierungsphase, die als Mesophase bezeichnet wird. Die wachsende Mesophase ist kugelförmig, so dass die Oberflächenenergie minimiert wird. Wenn die Mesophase gewachsen ist, wird sie zu Mikroperlen.
  • Der Graphit kann natürlicher Graphit sein, welcher eine mineralische Form von natürlich vorkommendem Graphit ist. Natürlicher Graphit wird abgebaut und verarbeitet und für vielfältige Anwendungen genutzt, zum Beispiel für Schmiermittel, Dichtungen, Isolierungen, Füllstoffe und feuerfeste Erzeugnisse.
  • Wahlweise kann der Graphit künstlicher Graphit sein, der künstlich hergestellt wird, indem nichtgraphitischer Kohlenstoff bei Temperaturen von über 2500°C wärmebehandelt wird. Die häufigsten künstlichen Graphite werden gewöhnlich als Komposite hergestellt, bei denen gemahlener Petrolkoks mit Steinkohlenteerpech zu einer Paste vermischt und in einem Kalzinierungsschritt auf circa 1200-1400°C erwärmt wird, um das Pech zu karbonisieren und alle flüchtigen Stoff aus dem Petrolkoks auszutreiben. Ein weiteres Erwärmen auf 2500-3000°C bewirkt eine Anordnung der Kohlenstoffatome derart, dass das Gemisch zu echtem Graphit graphitiert wird. Eine typische Verwendung von künstlichem Graphit ist bei massiven Elektroden, die in Kohle-Lichtbogen-Öfen zum Schmelzen von Stahl verwendet werden, bei Batterieelektroden und bei Kernreaktoren.
  • 3 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffprodukts. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    Das Mischen von Mesokohlenstoff-Mikroperlenpulver und Elektrographitpulver;
    Das isostatische Pressen des Gemisches aus Mesokohlenstoff- Mikroperlen und Graphit, zum Bilden eines Rohlings;
    Das Sintern des Rohlings;
    Das Graphitieren des gesinterten Rohlings, wobei die Dichte des graphitierten Rohlings vorzugsweise in dem Bereich von 1,85–1,95 g/cm3 und der spezifische Widerstand des graphitierten Rohlings vorzugsweise in dem Bereich von 500–2000 μΩ.cm. liegt; und
    Das maschinelle Bearbeiten des graphitierten Rohlings zur Bildung eines Endprodukts wie beispielsweise ein ringscheibenförmiges Kontaktelement eines Kommutators.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner vor dem Schritt des Mischens den Schritt des Siebens der Mesokohlenstoff-Mikroperlen, um die Mesokohlenstoff-Mikroperlen mit einer vorgegebenen Größe auszuwählen. In dieser Ausführungsform ist der Durchmesser der ausgewählten Mesokohlenstoff-Mikroperlen kleiner als 150 μm.
  • 4 zeigt ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffprodukts. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    Das Mischen eines Pulvers von Mesokohlenstoff-Mikroperlen und Kohlenstoffgraphit;
    Das Kneten des Mesokohlenstoff-Mikroperlen- und Graphitpulvergemisches;
    Das Verdichten des Pulvergemisches zum Bilden eines Rohlings, vorzugsweise das Verdichten des Pulvergemisches in einer Form, zum Bilden eines Rohlings mit der vorgegebenen Form eines Endprodukts.
  • Das Sintern des Rohlings, wobei die Dichte des gesinterten Rohlings vorzugsweise in dem Bereich von 1,6–1,8 g/cm3 und der spezifische Widerstand des gesinterten Rohlings vorzugsweise in dem Bereich von 2000–8000 μΩ.cm liegt; und
    Das maschinelle Bearbeiten des gesinterten Rohlings zur Bildung des Endprodukts wie beispielsweise ein ringscheibenförmiges Element eines Kommutators.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Siebens des Pulvers nach dem Schritt des Knetens. Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Mischens des Pulvers nach dem Schritt des Siebens.
  • Bei vorliegender Erfindung besteht das Kontaktelement des Kommutators aus Graphit und Mesokohlenstoff-Mikroperlen. Die Mesokohlenstoff-Mikroperlen sind selbstsinternd, da sie β-Harz als Bindemittel enthalten, das sich auf der Oberfläche der Mesokohlenstoff-Mikroperlen befindet. Es ist daher kein zusätzliches Bindemittel notwendig. Ferner verfügt das erfindungsgemäße Kohlenstoffprodukt über eine ausgezeichnete chemische und thermische Stabilität, über eine ausgezeichnete elektrische und Wärmeleitfähigkeit und über eine bessere Festigkeit aufgrund der Verwendung von Mesokohlenstoff-Mikroperlen.
  • Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Kohlenstoffprodukt eine Kohlebürste 12 wie in 5 gezeigt, ein Kohlelager 14 wie in 6 gezeigt oder eine Kohledichtung 16 wie in 7 gezeigt sein kann. Die in 7 dargestellte Kohledichtung 16 ist eine Ringdichtung, wobei jedoch auch andere Formen von Kohledichtungen möglich sind.
  • Verben wie “umfassen”, “aufweisen”, “enthalten” und “haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element oder Merkmal vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente oder Merkmale vorhanden sind.
  • Bestimmte Merkmale der Erfindung, die der Klarheit halber im Zusammenhang mit separaten Ausführungsformen beschrieben wurden, können auch in nur einer Ausführungsform kombiniert sein. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die der Kürze halber in einer Ausführungsform beschrieben wurden, ebenso separat oder in geeigneten Unterkombinationen vorhanden sein.
  • Wenngleich vorliegende Erfindung anhand einer oder mehrerer bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass innerhalb des Schutzrahmens der Erfindung, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist, verschiedene Modifikationen möglich sind.

Claims (16)

  1. Kohlenstoffprodukt aus Mesokohlenstoff-Mikroperlen und Graphit, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil von Mesokohlenstoff-Mikroperlen 50–99% und der Massenanteil von Graphit 1–50% beträgt.
  2. Kohlenstoffprodukt gemäß Anspruch 1, wobei der Massenanteil von Mesokohlenstoff-Mikroperlen 70–80% und der Massenanteil von Graphit 20–30% beträgt.
  3. Kohlenstoffprodukt gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Kohlenstoffprodukt eine Dichte in dem Bereich von 1,6–1,8 g/m3 und einen spezifischen Widerstand in dem Bereich von 2000–8000 μΩ.cm aufweist.
  4. Kohlenstoffprodukt gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Kohlenstoffprodukt eine Dichte in dem Bereich von 1,85–1,95 g/m3 und einen spezifischen Widerstand in dem Bereich von 500–2000 μΩ.cm aufweist.
  5. Kohlenstoffprodukt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kohlenstoffprodukt eine Kohlebürste (12), eine Kohlelager (14), eine Kohledichtung (16) oder ein Bürstenkontaktelement (70) eines Kommutators (10) ist.
  6. Kommutator für einen Elektromotor, umfassend: eine Basis aus Isoliermaterial (30); ein an der Basis befestigtes elektrisch leitendes Element (50), wobei das elektrisch leitende Element eine Vielzahl von Stäben (50) umfasst, deren jeder eine Zunge für die Verbindung mit einem Leitungsdraht des Motors aufweist; und ein Kontaktelement (70), das eine Bürstenkontaktfläche bildet, wobei das Kontaktelement eine Vielzahl von Segmenten (72) umfasst, deren jedes mit einem entsprechenden Stab elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (70) Mesokohlenstoff- Mikroperlen und Graphit umfasst.
  7. Kommutator gemäß Anspruch 6, wobei der Massenanteil der Mesokohlenstoff-Mikroperlen in dem Kontaktelement (70) 50–99% und der Massenanteil von Graphit in dem Kontaktelement (70) 1–50% beträgt.
  8. Kommutator gemäß Anspruch 6, wobei der Massenanteil der Mesokohlenstoff-Mikroperlen in dem Kontaktelement 70–80% und der Massenanteil von Graphit in dem Kontaktelement 20–30% beträgt.
  9. Kommutator gemäß Anspruch 6, 7 oder 8, wobei der Durchmesser der Mesokohlenstoff-Mikroperlen kleiner als 150 μm ist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffprodukts, umfassend: das Vermischen von Mesokohlenstoff-Mikroperlen und Elektrographit; das isostatische Pressen des Gemisches aus Mesokohlenstoff- Mikroperlen und Elektrographit zum Bilden eines Rohlings; das Sintern des Rohlings; das Graphitieren des gesinterten Rohlings; und die maschinelle Bearbeitung des graphitierten Rohlings zum Bilden einer vorgegebenen Form des Kohlenstoffprodukts.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, ferner umfassend das Sieben der Mesokohlenstoff-Mikroperlen vor dem Schritt des Mischens, um Mesokohlenstoff-Mikroperlen einer Größe auszuwählen, die kleiner ist als die vorgegebene Größe.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei der Schritt des Sinterns des Rohlings das Sintern des Rohlings in einer Weise umfasst, dass der gesinterte Rohling eine Dichte in dem Bereich von 1,85–1,95 g/cm3 und einen spezifischen Widerstand in dem Bereich von 500–2000 μΩ.cm aufweist.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffprodukts, umfassend die Schritte: Vermischen von Mesokohlenstoff-Mikroperlen- und Elektrographitpulver; Kneten des Gemisches aus Mesokohlenstoff-Mikroperlen- und Elektrographitpulver; Verdichten des Pulvergemisches zur Bildung eines Rohlings; Sintern des Rohlings; und maschinelle Bearbeitung des gesinterten Rohlings zur Bildung des Kohlenstoffprodukts.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Verfahren nach dem Schritt des Knetens und vor dem Schritt des Verdichtens ferner einen Schritt des Siebens des Pulvers umfasst.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Verfahren nach dem Schritt des Siebens und vor dem Schritt des Verdichtens einen Schritt des Mischens des gesiebten Pulvers umfasst.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 13, 14 oder 15, wobei der Schritt des Sinterns des Rohlings das Sintern des Rohlings in einer Weise umfasst, dass der gesinterte Rohling eine Dichte in dem Bereich von 1,6–1,8 g/cm3 und einen spezifischen Widerstand in dem Bereich von 2000–8000 μΩ.cm aufweist.
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