-
Aus Kohlenstoff bestehende Bürste zur Herstellung eines elektrischen
Kontaktes Die Erfindung bezieht sich auf eine aus Kohlenstoff bestehende Bürste
zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes, insbesondere für den Betrieb in großen
Höhen, die in ihrer Kontaktfläche Einsätze hat, deren Material zum größten Teil
aus einer Verbindung eines ersten Metalls mit Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff,
Phosphor oder einem zur Verbindung mit Kohlenstoff neigenden Halogen und außerdem
in geringer Menge aus einem zweiten festen Metall besteht, das fein verteilt in
der Verbindung des ersten Metalls enthalten ist.
-
Eine bekannte Bürste dieser Art, bei der die Einsätze aus Molybdänsulfid
und das darin enthaltene feste zweite Metall aus Silber besteht, arbeitet in sehr
großen Flughöhen zwar völlig einwandfrei, frißt aber bei niedrigeren Flughöhen und
bei Feuchtigkeit Rillen in die Kontaktfläche. Vermutlich beruht das auf der Bildung
von Molybdäntrioxyd, das schmirgelnde Eigenschaften hat. Es ist in Alkalilaugen
und einigen Säuren löslich. Eine andere Theorie nahm als Ursache das Auftreten eines
anderen Oxyds, Molybdänblau, an, das die gleichen nachteiligen Wirkungen hat. Gleichzeitig
mit dem Molybdänblau wird bei- Luftfeuchtigkeit Schwefelsäure gebildet. Molybdänblau
und Schwefelsäure sind die Reaktionsprodukte von Molybdändisulfid und Sauerstoff
bei Luftfeuchtigkeit oder des Sauerstoffs aus der Feuchtigkeit, die auch Wasserstoff
enthält und einen elektrolytischen Vorgang während der Stromübertragung und oberhalb
gewisser Kontaktverluste fördert.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Mangel zu beseitigen.
-
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Material
der Einsätze ein basischer Bestandteil zugesetzt ist, der die Bildung eines schmirgelnden
Oxydes des chemisch gebundenen Metalls zu unterbinden und eine im Falle der Oxydbildung
auftretende Säure zu neutralisieren vermag.
-
Andere Bürsten, die dank ihrer Zusammensetzung nicht dazu neigen,
in großen Höhen Rillen in die Kontaktfläche zu fressen, unterliegen in großen Höhen
einem außerordentlich hohen Verschleiß. Dieser ist bei der eingangs erläuterten
bekannten Bürste sehr niedrig. Der durch die Erfindung erzielte Fortschritt liegt
also in der Beseitigung des Mangels, daß man eine hohe Verschleißfestigkeit in großer
Höhe mit dem Nachteil des Einfressens von Rillen in die Kontaktfläche erkaufen mußte.
-
Vorzugsweise verwendet man als basischen Bestandteil, der dem Material
der Einsätze zuzusetzen ist, Bariumcarbonat oder Natriumsilikat.
-
Die Erfindung soll durch die Beschreibung an Hand der Zeichnung genauer
erläutert werden. In dieser zeigt Fig. 1 eine Teilansicht eines Kommutators und
eine Bürste mit Kernen aus dem besonderen Einsatzmaterial, die durch gestrichelte
Linien angedeutet werden, Fig. 2 einen Schnitt durch eine Bürste, der die Anordnung
der Kerne darstellt, Fig. 3 eine mögliche Verteilung der Kerne über die Auflagefläche
der Bürste.
-
In den Zeichnungen bezeichnen die gleichen Ziffern gleiche oder entsprechende
Teile. Eine Kohlenstoffbürste 10 liegt leitenden Segmenten 12 eines Kommutators
14 auf. Die Bürste besitzt Leiter 16 aus. geflochtenem Litzendraht, die in bekannter
Weise, z. B. durch Niete, mit ihr in 18 verbunden sind.
-
Die Bürste 10 besteht überwiegend aus nicht imprägniertem,
graphitischem Kohlenstoff und einem metallischen Bestandteil, z. B. Kupfer oder
Silber. Höhlungen oder Vertiefungen 20 werden so in der Bürste vorgesehen, daß sie
von der Auflagefläche aus in das Innere der Bürste reichen. Jede dieser Aushöhlungen
wird mit einem festen kommutierenden
Material oder Kern 22 -gefüllt.
Das Material dieser Kerne wird weiter unten eingehend beschrieben werden. Diese
Kerne sollen die umlaufende Oberfläche eines Stromübertragungsgerätes bei geringer
Feuchtigkeit und niedrigem atmosphärischem Druck ohne außergewöhnliche Abnutzungserscheinungen
oder überschüssige Auftragung einer überzugsschicht überstreichen.
-
Das Material in den Kernen 22 besteht aus der Verbindung eines chemischen
Elementes, gewöhnlich einer Metallverbindung, mit einer chemischen Affinität zu
Kohlenstoff. Solche Elemente sind z. B. Sauerstoff, Schwefel, Halogene, Stickstoff
oder Phosphor. Das gewählte Element, das chemisch mit Kohlenstoff reagiert, wird
in Form einer Metallverbindung beispielsweise als Sulfid, Oxyd, Halogenid oder als
Metallsalz zugesetzt. Molybdändisulfid ist eine für diesen Zweck bevorzugte Verbindung.
Außerdem sind folgende Sulfide besonders geeignet: Cadmiumsulfid, Bleisulfid und
Silbersulfid. Als Beispiele für die anwendbaren Halogenide seien Cadmiumjodid und
Calciumfiuorid genannt. Verschiedene Oxyde, darunter insbesondere Zinkoxyd, Bleioxyd
und Magnesiumoxyd, haben sich als geeignete schmierende Zusätze erwiesen. Verglichen
mit den anderen verwendbaren Stoffen zeichnet sich Molybdändisulfid durch seine
verhältnismäßig gute elektrische Leitfähigkeit aus, ist beinahe frei von Schrumpfung
beim Anzünden, und die Kohäsionskräfte zwischen den Schichtebenen seiner Kristalle
sind gering.
-
Gewöhnlich nimmt der Kohlenstoffteil der Bürste den Strom vom Kommutator
oder Schleifring ab, wenn die Maschine bei hoher Feuchtigkeit arbeitet, und zwar
mit Hilfe eines Überzugs, der auf die Berührungsflächen durch die Luftfeuchtigkeit
aufgetragen wird. Unter solchen Bedingungen wird der Kern schnell abgenutzt; das
bedeutet aber, daß der unbehandelte Kohlenstoff die Hauptleistung zu verrichten
hat. Die Lebensdauer des Kohlenstoffes ist zu diesem Zeitpunkt im wesentlichen die
gleiche wie bei den gewöhnlichen Kohlenstoffbürsten, die in großer Feuchtigkeit
arbeiten. In großen Höhen indessen, in denen der Kern den Strom abnimmt, tritt der
entgegengesetzte Vorgang auf. Dann wird also der Kohlenstoff einem raschen Verschleiß
unterworfen. Es leuchtet ein, daß bei mittlerer Luftfeuchtigkeit Kohlenstoff und
Kerne den Strom abnehmen. Wie schon erwähnt, gestatten die voneinander unabhängigen
Wirkungen der in einer Bürste enthaltenen Stoffe den Betrieb von elektrodynamischen
Maschinen sowohl bei besonders hoher als auch bei besonders niedriger Luftfeuchtigkeit.
Das ist bereits früher erstmalig erreicht worden.
-
Wie bereits erörtert, kann eine Bürste der oben beschriebenen Art
bei Betrieb in großer Luftfeuchtigkeit eine Rillenbildung hervorrufen,- die durch
das Entstehen eines Oxyds, z. B. Molybdäntrioxyd oder Molybdänblau, das als Schleifmittel
wirkt, bedingt ist. Ein derartiges Oxyd schleift die Oberfläche des Kommutators
stark ab und beschleunigt dessen Verschleiß. Man nimmt an, daß die Schwefelsäure,
die` gleichzeitig mit dem Molybdänblau gebildet wird, die Rillenbildung noch verstärkt.
Um dem Auftreten von Rillen entgegenzuwirken oder es zu verhindern, hat man erfindungsgemäß
festgestellt, daß sich ein Zusatz von basischen Verbindungen, die mit den Säuren
reagieren, z. B. Bariumcarbonat oder Natriumsilikat, zu dem Stoff des Kerns als
besonders wirkungsvoll -erwies. Die aktiven basischen Zusätze, wie Natriumsilikat,
verhindern auch die Bildung von Molybdäntrioxyd, in dessen Anwesenheit sie sich
auflösen würden. Sie verändern die Bedingungen so, daß die Bildung von Molybdänblau
unterbleibt. Der Zusatz von Graphit bei Anwendung solcher basischen Verbindungen
hilft, die Säure bzw. die entstandenen Oxyde zu »verdünnen«, wodurch die Rillenbildung
erheblich eingeschränkt wird. Auch Bariumcarbonat kann die Oxydbildung und ihre
nachteiligen Wirkungen weitgehend verringern.
-
Mehrere Versuche sind unter Berücksichtigung der oben aufgestellten
Theorien durchgeführt worden. Die basischen Verbindungen wurden mit dem Molybdändisulfid
und dem Silber der Kerne vereint, um der Entstehung von Rillen auf der Kommutatoroberfläche
entgegenzuwirken.
-
Kohlenstoffbürsten mit Kernen der unten angegebenen Zusammensetzung
wurden auf einem Schleifring, der in eine kleine Stickstoffkammer gebracht worden
war, und auf einem Gleichstromkommutator in einer großen Vakuumkammer, in der die
gleichen Bedingungen wie in sehr großen Höhen herrschten, geprüft. Die Versuche
wurden außerdem in atmosphärischen Bedingungen, die denen unter dem Meeresspiegel
glichen, durchgeführt. Die Zusammensetzung der Kerne war vorwiegend im Hinblick
auf den Anteil an Bariumcarbonat, Natriumsilikat und Graphit verändert worden. Jede
Bürste besaß zwei gegenüberliegende Reihen von je drei Kernen an ihrer Auflagefläche,
d. h. also sechs Kerneinsatzöffnungen mit einem Durchmesser von etwa 2 mm. Bei einem
Versuch an einem Schleifring mit getrennter Polarität, der zur Aufdeckung auch der
geringsten Neigung zur Rillenbildung dienen sollte, benutzte man Bürsten mit zwei
Kernen in einer Reihe, um eine einzige Spur zu erhalten. Der Zusatz von Chemikalien,
die der Rillenbildung entgegenwirken sollten, setzte die Konzentration des Molybdändisulfids
manchmal hinreichend herab, so daß ein Pulverisieren in der trockenen Stickstoffatmosphäre
der Versuche an Schleifringen, einsetzte. Bei diesen Versuchen war die Polarität
nicht getrennt und nicht auf zwei Bürsten, je eine für jede Richtung, verteilt.
Die Stärke der Bürsten betrug 11,2 mm bei den Kommutatorversuchen und 12,7 mm bei
Versuchen am Schleifring.
-
Man erkennt, daß die Ergebnisse und Schlußfolgerungen in gleicher
Weise für Kohlenstoffbürsten jeder Art gelten, die Molybdändisulfid für das Überziehen
einer von der Bürste überstrichenen Fläche benutzen, da das Molybdändisulfid eine
Verbindung darstellt, die die vorstehend erörterten nachteiligen Folgen durch Bildung
anderer ungünstiger Verbindungen verursacht.
-
Man kann auch größere Kerne, z. B. solche mit einem Durchmesser von
etwa 2,5 mm, verwenden, um den Prozentsatz an Molybdändisulfid in der Kernspur auf
einem Schleifring oder Kommutator zu erhöhen, ohne dabei das Verhältnis zwischen
Zusatzmittel, das der Rillenbildung entgegenwirken soll, und Molybdändisulfiü -herabz
su etzen. Um das Größenverhältnis zwischen den Kohlenstoff-spuren-und den Kernspuren
annähernd konstant zu halten, wird die -Anzahl- der-Kerne, verglichen mit der bei
Verwendung von Kernen mit 2 mm Durchmesser, verringert. Zusammensetzungen mit einem
ausreichenden Prozentsatz an Zusätzen, die der Rillenbidung entgegenwirken, können
mit
Erfolg zur Verhütung der Rillen angewendet werden; aber andererseits darf der Anteil
dieser Zusätze nicht zu groß sein. Das Molybdändisulfid muß in der dem Verwendungszweck
entsprechenden Konzentration vorhanden sein.
-
Die folgenden Tabellen geben die Versuchsergebnisse wieder. Die abgerundeten
Zahlen für die Lebensdauer der Bürsten stellen die durchschnittliche Lebensdauer
in Stunden für etwa 6 mm Verschleiß der Bürste in der trockenen Stickstoffatmosphäre
dar, d. h. bei den gleichen Bedingungen, wie sie in sehr großen Höhen herrschen,
und bei denen die Schleifringversuche mit getrennter Polarität durchgeführt wurden.
| Bariumcarbonat |
| Schleifringversuch Kommutatorversuch |
| Gewichtsprozente erforderliche Stunden für 6 mm Abnutzung erforderliche
Stunden für 6 mm Abnutzung |
| Tiefe der Rillen i |
| trockene I Luft- Tiefe |
| N.-Atmo- atmosphäre in der negativen 13 000 m 0 m der Rillen |
| sphäre in 0 m Höhe Bürste |
| Ag BaC03 Most I mm mm |
| I |
| 5 1 94 I 500 500 0,04 - I 500 0,048 |
| 25 0,5 74,5 - - - 500 500 0,05 |
| 25 1 I 74 1000 1000 0,04 500 500 0,0075 |
| 25 2,5 72,5 1000 500 0,048 - 500 0,009 |
| 25 ' 7 68 500 500 0,03 500 abgebrochen 0,0 |
| nach |
| 27 Stunden |
Eine genaue Betrachtung der Tabelle führt zu der Erkenntnis, daß der Zusatz von
Bariumcarbonat bei Kommutatoren wirksamer ist als bei Schleifringen, bei denen die
erzielten Werte 0,009 bzw. 0,048 mm betrugen, wenn 25 Gewichtsprozent Silber und
2,5 Gewichtsprozent Bariumcarbonat zugesetzt waren. Bei den Schleifringversuchen
ist die angegebene Rillentiefe die der negativen Bürste, die im allgemeinen tiefere
Rillen als die positive Bürste verursacht. Um eine Vergleichsgrundlage zu schaffen,
ist eine gewöhnliche Kohlenstoffbürste mit Kernen aus Molybdändisulfid und Silber
geprüft worden. Die für die Versuche benutzten Bürsten unterschieden sich also lediglich
durch den Zusatz gewisser, der Rillenbildung hinderlicher Chemikalien. Die bekannte
Bürste ergab eine Rillentiefe von 0,02 mm auf einer Kupferfläche nach Ablauf von
200 Stunden in Meereshöhe. Das ist der entscheidende Zeitpunkt zur Prüfung der Rillentiefe
bei bei Versuchen an Schleifringen mit getrennter Polarität. Es mnß indessen beachtet
werden, daß die Rillentiefe in einem anderen Versuch, der unter den gleichen Bedingungen
und über den gleichen Zeitraum durchgeführt wurde, erheblich geringer war. Die Rillenbildung
ist also eine veränderliche--Er s_c@jur@g: -
| Natriumsilikat |
| Schleifringversuch Kommutatorversuch |
| Gewichtsprozente erforderliche Stunden für 6 mm Abnutzung erforderliche
Stunden für 6 mm Abnutzung |
| Tiefe der Rillen |
| trockene Luft- Tiefe |
| N2-Atmo- atmosphäre in dernegativen 13 000 m 0 m der Rillen |
| Na-Silikatj `-'- Bürste |
| Ag 9 H20 M@S:_- - _-sphäre in 0 m Höhe - @ mm |
| 0 1,5 98,5 500 500 0,05 - - |
| 5 1,5 93,5 500 500 0,03 250 250 0,03 |
| 5 3 92 1000 500 0,022 250 250 gerillt |
| 5 6 89 500 500 0,0025 - - - |
| 25 0 75 1000 500 0,16 500 500 0,05 |
| (getrennt) |
| 25 1,5 73,5 1000 500 0,06 500 1000 0,005 |
| 25 3 72 1000 500 0,0075 500 500 0,005 |
| 25 4 71 - - - 250 Verschleiß 0,095bis0,135 |
| 25 5 70 350 700 0,2 500 500 0,0075 |
| 50 3 47 1000 500 0,005 500 500 0,005 |
. Der Zusatz von Natriumsilikat als Gegenmittel für die Rillenbildung führt anscheinend
bei einem Silbergehalt des Kerns von 25 Gewichtsprozent zu den besten Ergebnissen.
Die Versuche zur Auffindung des günstigsten Anteils an Natriumsilikat stießen bei
dem Zusatz von 4 und 5 Gewichtsprozent auf Schwierigkeiten, die möglicherweise von
dem Feuchtigkeitsgehalt der heißen Sommerluft und ihren nachteiligen Wirkungen auf
das Natriumsilikat herrühren können. Ein Zusatz von 3 Gewichtsprozent Natriumsilikat
bei einem Silbergehalt von 25 Gewichtsprozent scheint die besten Ergebnisse zu liefern.
| Schleifringversuch Kommutatorversuch |
| erforderliche Stunden für 6 mm Abnutzung erforderliche Stunden
für 6 mm Abnutzung |
| Gewichtsprozente |
| trockene Luft- 1 Tiefe der Rillen |
| N2-Atmo- atmos häre in der 13 000 m 0 m `Tiefe der Rillen |
| p negativen Bürste |
| Ag # BaCOg I Graphit f MoS2 Sphäre in 0 m Höhe mm mm |
| Bariumcarbonat und Graphit |
| 3,5 4,5 33 (N) 59 500 700 1 0,005 500 700 0,005 |
| 4 5 25 (N) 66 800 1000 0,005 350 700 0,022, |
| 0,015 |
| und weniger |
| 4 6 20 (N) 70 1300 700 0,0875 - 700 weniger als |
| 0,0125 |
| 3,5 7 33 56,5 1500 1000 0 - - - |
| 3,5 10 33 53,5 2000 1000 0 500 700 0,006 |
| 3,5 10 33 (N) 53,5 1000 1000 0 500, 400 0,008 |
| 4 12 20(N) 64 1000 1000 0,1 250 abgebrochen 0 |
| nach |
| 35 Stunden |
| 3,5 17 33 (N) 46,5 350 700 0,015 - |
| 17 1 33 , 49 250 1000 0,022 500 500 0,009 |
| Natriumsilikat und Graphit |
| Na- |
| Silikat |
| 9 H20 |
| 3,5 3,5 33 ' 60 500 1000 0,0025 - - - |
| (0,02 bei posi- |
| tiver Bürste) |
| *) Verschiedene Arten von Graphit, sowohl natürliche als auch
künstliche. Natürliches Graphit wird mit »(N)cc bezeichnet. |
| Jede Art kann für jeden Fall verwendet werden. |
Wie schon erörtert, verleiht der Zusatz von Bariumcarbonat- und Graphit den Bürsten
sehr günstige Eigenschaften für den. Betrieb sowohl in Meereshöhe als auch in großen
Höhen: Iii--den meisten Fällen wiesen die Schleifringe eine Rillentiefe von erheblich
weniger als 0,025 mm auf, im Gegensatz zu den ähnlichen Bürsten ohne Zusätze im
Kern, deren Rillentiefe 0,25 mm betrug.
-
Man führte einen Versuch unter ungewöhnlich strengen Bedingungen an
einem Schleifring mit nicht getrennter Polarität in einer trockenen Stickstoffatmosphäre
mit Bürsten von der--Art-durchi wir, sie die_letzte-'abelle angibt. Der Durchmesser
der Kerne wurde von etwa 2 mm auf 2,5 mm vergrößert und die Anzahl der Kerne von
fünf auf vier verringert, so daß sich getrennte Spuren in einer Bürste von 11,1
mm Stärke zeigten. Diese Bürste besaß eine Lebensdauer von 1600 bis 4600 Stunden
für etwa 6 mm Verschleiß in einer trockenen Stickstoffatmosphäre. In einer Atmosphäre,
die der in Meereshöhe entsprach, betrug die Lebensdauer 1900 bis 3000 Stunden für
etwa 6 mm Verschleiß.