DE19549195A1 - Kohlebürste für Elektromotoren - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kohlebürste für Elektromotoren, insbesondere Gleichstrommotoren, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei elektrisch kommutierten Motoren, insbesondere Gleichstrommotoren, kommt es aufgrund elektrochemischer, elektrischer und mechanischer Vorgänge zu Verschleiß von Kohlebürste und Kommutator, der zu einem Ausfall des elektrisch-kommutierten Gleichstrommotors führen kann. Insbesondere bei naßlaufenden Maschinen kann es aufgrund des verstärkten Auftretens elektrochemischer Vorgänge zu überhöhten Verschleißerscheinungen an Kohlebürste und Kommutator kommen.

Aufgrund der immer höheren Anforderungen an Elektromotoren bezüglich der Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Motors und der Tatsache, daß die Kohlebürsten und der Kommutator die ausfallrelevanten Bauteile darstellen, müssen für diese Anforderungen Kohlebürsten entwickelt werden, die diesen Belastungen standhalten.

Aus der JP-218178/88 ist eine Kohlebürste für Elektromotoren bekannt geworden, die zur Erhöhung des Abriebswiderstandes zwischen Kohlebürste und Kommutator aus natürlichem Graphit mit weniger als 0,5 Gewichts-% Aschegehalt ausgebildet ist und einen Anteil von 0,3 Gewichts-% an Kohlefasern aufweist. Durch den hohen Reinheitsgrad des natürlichen Graphit und der Verwendung von Kohlefasern, die beispielsweise aus einem Fasermaterial wie Polyacrylnitril oder Teer hergestellt sind, kann der Abriebswiderstand verringert werden.

Zur Herstellung von Kohlebürsten wird natürlicher Graphit mit weniger als 0,5% Aschegehalt, das mit einem zusammengesetzten Material, das aus synthetischen Harzen, wie beispielsweise Phenolharz behandelt wird, mit Kohlefasern oder mit einem Metallpulver, wie Kupferpulver, Molybdändioxid oder Bornitrit gemischt. Dieses Gemisch wird mit einer Presse geformt und in die Form der Kohlebürsten gebrannt.

Durch die Verwendung von natürlichem Graphit mit einem hohen Reinheitsgrad von weniger als 0,5% Aschegehalt kann der Abriebswiderstand zwischen Kohlebürsten und Kommutatoren gegenüber unreineren Gemischen verbessert werden, jedoch genügen derartige Kohlebürsten nicht den hohen Anforderungen und Qualitätssicherheiten, die für Elektromotoren gefordert sind.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kohlebürste für Elektromotoren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Kohlefasern einen höheren Elastizitätsmodul, eine gute elektrische Leitfähigkeit und auch eine gegenüber dem Graphit sehr gute Verschleißbeständigkeit aufweisen. Gleichzeitig bewirken die metallisch beschichteten Kohlefasern eine Schonung des Kommutators hinsichtlich elektrochemischer, mechanischer und elektrischer Angriffe, wodurch aufgrund dieser Verschleißreduzierung am Kommutator ebenfalls die Kohlebürste entsprechend bezüglich des Verschleißes geschont werden kann. Dadurch wird also der Verschleiß von Kohlebürste und Kommutator entscheidend gesenkt.

Desweiteren weist die Kohlebürste mit beschichteten Kohlefasern den Vorteil auf, daß die Leistung des Gleichstrommotors höher ist als die bei Motoren mit Kohlebürsten ohne beschichtete Fasern.

Während des Betriebs des Gleichstrommotors kann es in Folge von einem Planschlag eines Plankommutators oder einem Rundlaufschlag eines Trommelkommutators oder dergleichen zum Abheben der Kohlebürsten von der Kommutatoroberfläche kommen, wodurch Lichtbögen zwischen der Kohlebürste und der Kommutatorfläche auftreten können. Ferner treten an der ablaufenden Kante Kommutierungslichtbögen auf. Durch die Verschleißbeständigkeit der in die Graphitmatrix eingebundenen Kohlefasern wird das Verschleißverhalten von Kohlebürste und Kommutator verbessert, da die Kohlefasern dämpfend auf die Lichtbogenbildung wirkt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die metallische Beschichtung eine Schichtstärke von weniger als 10 µm aufweist. Die Kohlefasern weisen im arithmetischen Mittel gesehen einen Durchmesser von 14 µm ± 20% auf. Um den vorteilhaften Einfluß der Kohlefaser nicht in den Hintergrund treten zu lassen, ist eine Beschichtung vorgesehen, die zumindest kleiner als der Durchmesser der Kohlestoffasern ist, wobei vorteilhafterweise bei einem Durchmesser von beispielsweise 14 µm der Kohlenstoffaser eine Beschichtung von wenigstens 10 µm der metallischen Schicht vorgesehen sein kann.

Nach einer weitere vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß für die metallische Beschichtung ein Metall verwendet wird, das gegenüber der beschichteten Kohlefaser eine höhere Leitfähigkeit hat. Desweiteren kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß für die metallische Beschichtung ein Metall verwendet wird, das gegenüber der beschichteten Kohlefaser eine geringere Steifigkeit aufweist. Durch die Merkmale werden Metalle zur Beschichtung von Kohlefasern eingesetzt, die eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine geringere Steifigkeit als die beschichtete Faser haben. Eine derartige Beschichtung bewirkt eine Verringerung des spezifischen elektrischen Widerstandes der Kohlebürste und hat zur Folge, daß die Erwärmung der Kohlebürste durch die Strombelastung während des Betriebs des Gleichstrommotors auf einem im Vergleich zu einer Kohlebürste ohne beschichtete Kohlefasern geringen Niveau bleiben und somit der thermische Abrieb reduziert werden kann. Desweiteren kann der Strom über die Beschichtung fließen. Dadurch kann eine Senkung des inneren Widerstandes erfolgen, wodurch eine höhere Leistungsfähigkeit des Verbundes gegeben sein kann.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kohlebürste einzeln in einem Pressvorgang herstellbar ist und die Kohlefasern in Pressrichtung axial, radial bzw. tangential zur Welle oder Achse eines Elektromotors anordenbar sind. Durch den Preßvorgang sind die Kohlefasern in der Kohlebürste ausgerichtet, d. h., daß diese in einer gemeinsamen Ebene liegen, die sich je nach Preßrichtung entsprechend dieser ausrichtet. In einer in Abhängigkeit der Preßrichtung sich ergebenden Ebene können die Kohlefasern beliebig verteilt und ausgerichtet angeordnet sein. Dadurch kann eine größere Kontaktfläche zwischen Kohlebürste und Kommutator geschaffen werden, wodurch die elektrische Leitfähigkeit erhöht werden kann, bzw. der elektrische Widerstand der Kohlebürste wird reduziert, wodurch wiederum die Leistung des Gleichstrommotors erhöht sein kann.

Desweiteren weist die Ausrichtung der Kohlefasern in einer Ebene tangential zu der Welle des Elektromotors den Vorteil auf, daß durch das zusätzliche Beimischen von Bestandteilen und Binder eine homogene Verteilung der Kohlefasern in der Graphitmatrix erfolgen kann, wodurch eine geeignete Kontaktfläche zum Kommutator geschaffen werden kann, die eine konstante elektrische Größe zwischen Kohlebürste und Kommutator darstellen kann.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kohlefasern durch ein Implantationsverfahren beschichtet sind. Dabei kann sowohl ein elektrochemisches Verfahren als auch vorzugsweise ein Wirbelstromverfahren vorgesehen sein. Bei einem derartigen Wirbelstromverfahren kann sich Metallstaub an den Kohlefasern anlagern, die durch dessen Schmelzen mit einer dünnen Metallschicht überzogen werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Beschichtung Metalle wie beispielsweise Kupfer, Silber, Molybdän, Chrom, Nickel, Wolfram, Gold und Zirkonium oder dergleichen verwendet werden.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Teilschnitt eines elektrisch kommutierten Gleichstrommotors und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform zu Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist eine Welle 11 eines nicht dargestellten Gleichstrommotors dargestellt, auf dem ein Kommutator 12 angeordnet ist. Beispielsweise sind radial zu dem Kommutator 12 zwei Kohlebürsten 13 dargestellt, die in Kontakt mit dem Kommutator stehen.

Die Kohlebürste 13 besteht aus Naturgraphit mit einem Reinheitsgrad von 99,5 Gewichts-%, wobei 0,5 Gewichts-% an Verunreinigung in Form von Asche enthalten ist. Desweiteren sind Bestandteile wie festes Schmiermittel, beispielsweise Molybdänsulfid und Bornitrid hineingemischt. Desweiteren können Putzmittel, wie beispielsweise SiC bzw. SiO2 verwendet werden. Darüber hinaus können Bindemittel, wie Phenolharze oder dergleichen, vorgesehen sein, die das in einem Gesenk gepreßte Gemisch zu einer Kohlebürste 13 miteinander verbinden, bevor es gebrannt wird.

In der Kohlebürste 13 ist desweiteren ein Bestandteil einer bei hohen Temperaturen in einem Inertgas graphitierten Kohlefaser 14 enthalten, die auf Pechbasis bzw. Polyacrylnitritbasis herstellbar ist. In einem sich daran anschließenden Implantationsverfahren werden die Kohlefasern 14, die bevorzugt einen Durchmesser von 14 µm aufweisen und deren Länge vorteilhafterweise kleiner als 3,5 mm ist, mit einem Metall überzogen. Dabei ist die Dauer des Verfahrens darauf abgestellt, daß eine Schichtstärke von weniger als 10 µm auf die Kohlefaser 14 aufgetragen wird. Bevorzugt wird ein Wirbelstromverfahren zur metallischen Beschichtung der Kohlefasern 14 verwendet. Die in der Kohlebürste 13 eingebrachten Kohlefasern 14 werden während des Preßvorganges ausgerichtet. Dabei ist eine Preßrichtung vorzusehen, die axial radial bzw. tangential in Bezug auf die Achse bzw. Welle 11 eines Gleichstrommotors gerichtet ist, so daß die Kohlefasern 14 in einer gemeinsamen Ebene liegen, die sich je nach Preßrichtung in einer Ebene ausrichten. Durch die Ausrichtung der Kohlefasern 14 kann eine definierte Kontaktfläche zu dem Kommutator geschaffen sein, wodurch eine konstante elektrische Größe erzielt werden kann.

Eine derartige beschichtete Kohlefaser weist den Vorteil auf, daß die Kohlebürste 13 durch die Kohlefaser selbst gegen Lichtbogeneffekte, Funkenbildung, chemische, insbesondere bei Betrieb des Elektromotors in flüssigen Medien wie Benzin oder dergleichen, und auch elektrochemische Angriffe beständiger ist und durch die Beschichtung eine höhere Leistungsfähigkeit besitzt.

Durch die Beschichtung der bei hohen Temperaturen graphitierten Kohlefaser wird der Spannungsabfall zwischen der Kohlebürste und dem Kommutator im Vergleich zu einer Kohlebürste ohne beschichtete Fasern gesenkt. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Spannungsabfall über der Standzeit des Kommutierungssystem konstant ist.

In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform eines Gleichstrommotors zu Fig. 1 dargestellt. Auf der Welle 11 ist ein tellerförmiger Plankommutator 12 angeordnet, an dem koaxial zur Welle 11 zwei Kohlebürsten 13 gemäß der Erfindung angreifen. Im übrigen gelten die zu Fig. 1 gemachten Ausführungen.

Claims (8)

1. Kohlebürste für Elektromotoren, insbesondere für Gleichstrommotoren, die im wesentlichen aus natürlichem Graphit mit einem Anteil von weniger als 0,5 Gewichts % Asche und weiteren Bestandteilen an Schmier- und Putzmitteln bestehen und einen Anteil von Kohlefasern (14) aufweisen, die auf der Basis von Polyacrylnitril oder Pech herstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern (14) eine metallische Beschichtung aufweisen.

2. Kohlebürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern (14) eine metallische Beschichtung mit einer Schichtstärke von weniger als 10 µm aufweist.

3. Kohlebürste nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß für die metallische Beschichtung ein Metall vorgesehen ist, das gegenüber der beschichteten Kohlefaser (14) eine höhere Leitfähigkeit hat.

4. Kohlebürste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die metallische Beschichtung ein Metall vorgesehen ist, das gegenüber der beschichteten Kohlefaser (14) eine geringere Steifigkeit aufweist.

5. Kohlebürste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlebürste (13) in einem Preßvorgang herstellbar ist und die Kohlefasern (14) in Preßrichtung axial, radial bzw. tangential zur Welle (11) eines Elektromotors gesehen ausrichtbar sind.

6. Kohlebürste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Implantationsverfahren zur metallischen Beschichtung der Kohlefaser (14) vorgesehen ist.

7. Kohlebürste nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Implantationsverfahren ein Wirbelstromverfahren ist.

8. Kohlebürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Beschichtung verwendete Metall Kupfer, Silber, Molybdän, Chrom, Nickel, Wolfram, Gold oder Zirkonium ist.