DE102017131341A1

DE102017131341A1 - Kohlebürste und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102017131341A1
Application number: DE102017131341.9A
Authority: DE
Inventors: Sarah Reynvaan
Original assignee: Schunk Carbon Technology GmbH
Current assignee: Schunk Carbon Technology GmbH
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2019-06-27
Also published as: EP3732754A1; US20210075172A1; CN111587518A; JP2021508913A; KR20200101348A; CN111587518B; WO2019129624A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kohlebürste und ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, wobei ein Bürstenkörper der Kohlebürste durch Pressen und Temperaturbehandlung einer Materialmischung ausgebildet wird, wobei die Materialmischung durch Mischen eines Graphitpulvers mit einem Harz und einem Additiv ausgebildet wird, wobei das Harz nach dem Pressen mittels der Temperaturbehandlung pyrolysiert wird, wobei als Additiv Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 5 Gewichtsprozent der Materialmischung verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kohlebürste und ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, wobei ein Bürstenkörper der Kohlebürste durch Pressen und Temperaturbehandlung einer Materialmischung ausgebildet wird, wobei die Materialmischung durch Mischen eines Graphitpulvers mit einem Harz und einem Additiv ausgebildet wird, wobei das Harz nach dem Pressen mittels der Temperaturbehandlung pyrolysiert wird.
Kohlebürsten bzw. Bürstenkörper mit einer Kohlenstoffmatrix sind für besondere Anwendungen, beispielsweise in Kraftstoffpumpen, gut geeignet. So bestehen bei einem Betrieb in einer Kraftstoffumgebung bzw. bei Bürstenbetrieb in Kraftstoffpumpen besondere Betriebsbedingungen für Kohlebürsten und die mit den Kohlebürsten zusammenwirkenden Kommutatorsegmente, die mit Betriebsbedingungen außerhalb der Kraftstoffumgebung nicht vergleichbar sind. Dabei hat sich insbesondere herausgestellt, dass in dieser Kraftstoffumgebung temporäre Überspannungen, die 14 Volt überschreiten, die Lebensdauer der Bürsten-Kommutator-Systeme erheblich verkürzen können, da infolge der Überspannungen ein Bürsten- und ein Kommutatorverschleiß erheblich ansteigen. Die betreffenden Bürstenkörper werden daher regelmäßig aus einer Materialmischung aus Graphitpulver und Harz, welches verkokt wird, ausgebildet. Nachteilig ist hier, dass diese Bürstenkörper eine herabgesetzte Bruchfestigkeit aufweisen und zur Rissbildung neigen. Auch das Anbringen einer Litze am Bürstenkörper bzw. in einer Bohrung durch Stampfen kann leicht Risse in dem Bürstenkörper bewirken. Besonders nachteilig ist es, wenn ein Bruch der Kohlebürste während eines Betriebs der Kraftstoffpumpe auftritt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung bei einer Herstellung einer Kohlebürste sowie eines Bruchs der Kohlebürste während eines Betriebs zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Kohlebürste mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, wird ein Bürstenkörper der Kohlebürste durch Pressen und Temperaturbehandlung einer Materialmischung ausgebildet, wobei die Materialmischung durch Mischen eines Graphitpulvers mit einem Harz und einem Additiv ausgebildet wird, wobei das Harz nach dem Pressen mittels der Temperaturbehandlung pyrolysiert wird, wobei als Additiv Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 5 Gewichtsprozent der Materialmischung verwendet wird.
Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, bewirkt eine Zugabe eines geringen Anteils an Graphen zu der Materialmischung bereits eine merkliche Verbesserung einer Bruchfestigkeit und Vermeidung einer Rissbildung an dem fertig ausgebildeten Bürstenkörper. Eine Rissbildung des Bürstenkörpers beim Pressen oder einer mechanischen Nachbearbeitung, wie beispielsweise Bohren oder Schleifen, kann durch den Zusatz von Graphen wirkungsvoll verhindert werden. Weiter kann auch eine Stabilität und thermische Leitfähigkeit des Bürstenkörpers gesteigert werden. Neben der so verbesserten Leistungsfähigkeit des Bürstenkörpers bzw. der Kohlebürste können damit auch mögliche Ausfälle der Kohlebürste während eines Betriebszeitraums, beispielsweise durch einen Bruch des Bürstenkörpers oder einer Lockerung einer in eine Bohrung im Bürstenkörper gestopften Litze, minimiert werden. Dabei ist es bereits ausreichend, wenn die Materialmischung bzw. der fertig ausgebildete Bürstenkörper den Anteil von 0,01 bis < 5 Gewichtsprozent Graphen aufweist.
Als Graphitpulver kann Naturgraphit, Kunstgraphit oder Elektrographit verwendet werden. Das Harz fungiert prinzipiell als ein Binder und kann flüssig oder fest, beispielsweise in Pulverform verwendet werden, wenn es mit dem Graphitpulver vermischt wird. Bei dem Graphen handelt es sich um eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom in einem Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist. Insbesondere durch die zweidimensionale Struktur des Graphens wird es möglich mit Harz ausgefüllte Zwischenräume zwischen Partikeln des Graphitpulvers zumindest teilweise mit Graphenpartikeln zu überbrücken ohne diese Zwischenräume zu vergrößern, wie dies beispielsweise bei dreidimensionalen, vergleichsweise größeren Partikeln von anderen Additiven der Fall wäre. Die Graphenpartikel fügen sich vorteilhaft in die 0,1 bis 1 µm dicke Harzschicht um die Graphitpartikel ein, ohne einen Abstand der Graphitpartikel zu vergrößern. Die Ausbildung der Materialmischung kann beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Extruders erfolgen. Wie sich weiter herausgestellt hat, kann durch die Zugabe des Graphens zu der Materialmischung eine Verbesserung weiterer physikalischer Eigenschaften des Bürstenkörpers bewirkt werden.
Das Harz kann nach oder während des Pressens ausgehärtet werden, wobei die Pyrolyse des Harzes bei einer Temperatur von ≥ 500°C durchgeführt werden kann. Folglich kann härtbares Harz verwendet werden, sodass zunächst ein Pressformkörper des Bürstenkörpers ausgebildet werden kann, der durch das Aushärten des Harzes formstabil ist. Dieser Pressformkörper kann dann beispielsweise innerhalb eines Ofens temperaturbehandelt werden, sodass das Harz im Wesentlichen vollständig pyrolysiert bzw. in Kohlenstoff umgewandelt wird. Demnach ist im Rahmen des Verfahrens ein Verkoken bzw. Pyrolysieren des Harzes vorgesehen, wodurch ein spezifischer Widerstand des Bürstenkörpers wesentlich erhöht werden kann.
Der Bürstenkörper kann Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 4 Gewichtsprozent, bevorzugt von 0,01 bis < 3 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von 0,01 bis < 2 Gewichtsprozent, aufweisen. Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, kann bei diesem Anteil an Graphen eine Festigkeit und Leistungsfähigkeit der Kohlebürste wesentlich gesteigert werden. Gleichwohl muss der Materialmischung nur wenig Graphen zugesetzt werden, wodurch die Festigkeits- und Leistungsverbesserung der Kohlebürste kostengünstig erzielbar ist.
Vorteilhaft kann die Materialmischung überwiegend aus dem Graphitpulver ausgebildet werden. Demnach kann die Materialmischung einen Graphitanteil von > 50 Gewichtsprozent, bevorzugt > 90 Gewichtsprozent aufweisen. Die Materialmischung kann auch weitere Stoffe, wie beispielsweise Festschmierstoffe, Schleifmittel und/oder Metallpulver aufweisen. So ist es dann auch möglich die Eigenschaften der Kohlebürste bzw. des Bürstenkörpers an den jeweiligen Anwendungsfall in der gewünschten Weise anzupassen.
Das Harz kann flüssig sein und das Graphen kann in Partikelform vor einer Mischung mit dem Graphitpulver dem flüssigen Harz zugegeben werden. Prinzipiell kann das Harz auch pulverförmig sein, jedoch ist es besonders vorteilhaft, wenn das Harz flüssig ist, da dann das Graphen gut mit dem flüssigen Harz vermischt werden kann. Das Graphen kann in Partikelform in Art eines Pulvers verwendet werden, wobei die Partikel dann plattenförmig, mit zweidimensionaler Struktur vorliegen. Je nach Herstellungsverfahren des Graphens können die Platten der zweidimensionalen Struktur gestapelt oder ungestapelt sein. Zumindest bilden die Partikel des Graphen keine Kugelform aus.
Die Materialmischung wird besonders einfach ausbildbar, wenn das flüssige Harz mit einem Lösungsmittel, bevorzugt Aceton, verdünnt wird, wobei das Lösungsmittel nach oder während dem Pressen mittels Wärmebehandlung entfernt und das Harz ausgehärtet werden kann. Durch die Verdünnung mit dem Lösungsmittel wird es möglich, eine besonders homogene Materialmischung auszubilden, die einfach in einem Extruder verarbeitet werden kann. Auch kann dann das Graphen besonders gut mit dem Harz vermischt werden. Die Aushärtung des Harzes kann dann dadurch erfolgen, dass das Lösungsmittel mittels der Wärmebehandlung verdampft und damit aus der Materialmischung bzw. dem so ausgebildeten Bürstenkörper entfernt wird. Bei der Wärmebehandlung bzw. dem Verdampfen des Lösungsmittels kann eine Temperatur so gewählt werden, dass ein Aushärtvorgang des Harzes initiiert wird. Auch kann das Lösungsmittel in einem Mischer verdampft werden, wobei das Graphen mit dem Harz vermischt werden kann, wobei nach einem Pressen der Mischung die Wärmebehandlung folgen kann.
Alternativ kann das Harz fest sein und beispielsweise mit einem Lösungsmittel verflüssigt werden, wobei das Graphen in Partikelform vor einer Mischung mit dem Graphitpulver dem flüssigen Harz zugegeben werden kann, wobei das Harz verfestigt und zu einem Pulver verarbeitete werden kann, wobei das Pulver mit dem Graphitpulver gemischt werden kann. Die Mischung des Pulvers mit dem Graphitpulver kann extrudiert werden.
Vorteilhaft kann eine homogene Dispersion von Graphen und Harz ausgebildet werden. Diese Dispersion kann dann einfach mit dem Graphitpulver gemischt werden, wodurch eine homogene Verteilung des Graphens innerhalb der Materialmischung und damit im Bürstenkörper leicht erzielbar ist.
Wie sich herausgestellt hat, kann eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit des Bürstenkörpers erzielt werden, wenn Graphen mit einer mittleren Partikelgröße von ≤ 2 µm verwendet wird.
Als Harz kann ein duoplastisches oder thermoplastisches Harz, bevorzugt Phenolharz, verwendet werden.
Als Graphen kann Graphenoxid (GO), reduziertes Graphenoxid (rGO), Graphennanoplatlets (GNO) und/oder Kohlenstoffnanoröhren (CNT) verwendet werden, die einlagig oder mehrlagig sein können. Insbesondere kann das verwendete Graphen in Abhängigkeit seines Herstellungsverfahrens funktionalisiert sein. Durch die Verwendung eines spezifischen Graphens wird es möglich eine Anpassung der Eigenschaften der Kohlebürste vorteilhaft vorzunehmen.
Eine weitere vorteilhafte Abwandlung der Eigenschaften der Kohlebürste wird möglich, wenn dem Additiv einwandige oder mehrwandige Kohlestoffnanoröhren (CNT-Carbon Nano Tubes), Ruß und/oder andere Graphenmodifikationen zugegeben werden. Hier ist es dann insbesondere bei dem Ruß wesentlich, dass eine Partikelgröße des Rußes vergleichsweise klein ist. Je nach Größenverteilung der Partikel des Graphitpulvers können größere Zwischenräume zwischen den Partikeln des Graphitpulvers vorteilhaft mit Rußpartikeln ausgefüllt werden.
Der Bürstenkörper kann mehrschichtig, bevorzugt zweischichtig oder dreischichtig, ausgebildet werden, wobei zumindest eine Schicht das Additiv aufweisen und mit einer Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktstruktur ausgebildet werden kann. Eine von der Kontaktfläche abgewandte Schicht des Bürstenkörpers kann beispielsweise einen abweichenden Anteil an Graphen aufweisen oder auch frei von Graphen sein. Die Schichten können sich auch dadurch unterscheiden, dass sie unterschiedliche Anteile an Graphitpulver und/oder Metallpulver aufweisen. So kann ein Bürstenkörper ausgebildet werden der an seiner Kontaktfläche eine besonders gute elektrische Kontaktierung und an seinem der Kontaktfläche gegenüberliegenden Ende gleichzeitig eine einfache Befestigung einer Litze ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, ist aus einem Bürstenkörper gebildet, der aus einer verfestigten Materialmischung aus einem Graphitpulver mit einem pyrolysierten Harz und einem partikelförmigen Additiv besteht, wobei das Additiv Graphen ist und der Bürstenkörper Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 5 Gewichtsprozent aufweist. Hinsichtlich der vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Kohlebürste wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Kohlebürste ergeben sich aus den auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe, insbesondere Benzinpumpe oder dergleichen, umfasst einen Elektromotor, der eine erfindungsgemäße Kohlebürste aufweist. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Kraftstoffpumpe ergeben sich aus den auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, wobei ein Bürstenkörper der Kohlebürste durch Pressen und Temperaturbehandlung einer Materialmischung ausgebildet wird, wobei die Materialmischung durch Mischen eines Graphitpulvers mit einem Harz und einem Additiv ausgebildet wird, wobei das Harz nach dem Pressen mittels der Temperaturbehandlung pyrolysiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Additiv Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 5 Gewichtsprozent der Materialmischung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz nach oder während dem Pressen ausgehärtet wird, wobei die Pyrolyse des Harzes bei einer Temperatur von ≥ 500° C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bürstenkörper Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 4 Gewichtsprozent, bevorzugt von 0,01 bis < 3 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von 0,01 bis < 2 Gewichtsprozent, aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialmischung überwiegend aus dem Graphitpulver ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz flüssig ist und das Graphen in Partikelform vor einer Mischung mit dem Graphitpulver dem flüssigen Harz zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Harz mit einem Lösungsmittel, bevorzugt Aceton, verdünnt wird, wobei das Lösungsmittel nach oder während dem Pressen mittels Wärmebehandlung entfernt und das Harz ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz fest ist und verflüssigt wird, wobei das Graphen in Partikelform vor einer Mischung mit dem Graphitpulver dem flüssigen Harz zugegeben wird, wobei das Harz verfestigt und zu einem Pulver verarbeitete wird, wobei das Pulver mit dem Graphitpulver gemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine homogene Dispersion von Graphen und Harz ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Graphen mit einer mittleren Partikelgröße von ≤ 2 µm verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Harz ein duroplastisches oder thermoplastisches Harz, bevorzugt Phenolharz, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Graphen Graphenoxid (GO), reduziertes Graphenoxid (rGO), Graphennanoplatlets (GNO) und/oder Kohlenstoffnanoröhren (CNT) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Additiv einwandige oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren und/oder Ruß zugegeben werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bürstenkörper mehrschichtig, bevorzugt zweischichtig oder dreischichtig, ausgebildet wird, wobei zumindest eine Schicht das Additiv aufweist und mit einer Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktstruktur ausgebildet wird.
Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, wobei die Kohlebürste aus einen Bürstenkörper gebildet ist, der aus einer verfestigten Materialmischung aus einem Grafitpulver mit einem pyrolysierten Harz und einem partikelförmigen Additiv besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv Graphen ist und der Bürstenkörper Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 5 Gewichtsprozent aufweist.
Kraftstoffpumpe, insbesondere Benzinpumpe oder dergleichen, mit einem Elektromotor der eine Kohlebürste nach Anspruch 14 aufweist.