DE19752864A1 - Imprägnierte Bürste aus Kohlenstoff für das Übertragen elektrischen Stromes - Google Patents
Imprägnierte Bürste aus Kohlenstoff für das Übertragen elektrischen StromesInfo
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Description
Die der Anmeldung zugrunde liegende Erfindung betrifft eine
aus Kohlenstoff oder aus einem Kohlenstoffüllstoff und
einer Bindermatrix aus Kunstharz bestehende Bürste für das
Übertragen elektrischen Stromes mit einem Gehalt von
mindestens einer anorganischen Substanz und Verfahren zum
Herstellen einer solchen Bürste.
Unter dem Begriff Kohlenstoff wird im folgenden, sofern
dies im einzelnen nicht besonders spezifiziert ist, sowohl
nicht graphitierter Kohlenstoff als auch graphitischer
Kohlenstoff, nicht aber Diamant verstanden.
Bürsten im Sinne dieser Erfindung sind im wesentlichen aus
Kohlenstoff bestehende, kohlenstoff- oder kunstharz
gebundene Kontaktstücke für Gleitkontakte zum Übertragen
elektrischen Stromes in elektrischen Maschinen. Da die
Betriebseigenschaften wie beispielsweise Gleitfähigkeit,
Verschleiß, Kommutierungsfähigkeit oder Funkstörverhalten
nur aus Kohlenstoff oder nur aus Kohlenstoff und Kunstharz
bestehender Bürsten den unterschiedlichen, an sie unter den
verschiedensten Betriebsbedingungen gestellten Anforde
rungen in der Regel nicht genügen, werden sie mit Zusatz
stoffen versehen. Derartige Zusatzstoffe können anorga
nischer oder organischer Natur sein und es können auch
anorganische und organische Zusatzstoffe gemeinsam
angewendet werden. Das Einbringen der Zusatzstoffe
geschieht durch Tränken oder Imprägnieren der Kohlen
stoffbürsten oder, bei Bürsten mit einer Kunstharzmatrix,
durch Tränken oder Imprägnieren des aus Kohlenstoff
bestehenden Füllers der Bürste vor dem Vermischen mit dem
Binderharz.
Bekannte, rein anorganische Zusatzstoffe sind:
Metallhalogenide, insbesondere Blei- und Cadmiumjodid
(DEA 1580, 03.04.1950), Kaliumsulfid (DEA 729, 06.10.1944),
Molybdändisulfid (US 2,823,147), Erdalkalimetallsalze wie
Calciumcarbonat oder Bariumfluorid zusammen mit einer
Silberverbindung aus der Gruppe Silbersulfid, Silberchlorid
(US 2,806,806), hygroskopische Salze wie Calciumchlorid
oder Magnesiumchlorid (DEA 727, 25.02.1943), hygroskopische
Salze und Oxide von Erdalkalimetallen zusammen mit
Bariumsalzen (CA 647 808), Chromalaun (US 3,063,947). Zu
dieser Gruppe sind auch die anorganischen Zusatzstoffe zu
zählen, bei denen die Bürste nach dem Tränk- oder
Imprägniervorgang noch nachbehandelt wird: Gemäß
DE AS 1 079 183 werden den Rezepturbestandteilen bei der
Bürstenherstellung Metallseifen, insbesondere Alkali
metallseifen zugesetzt, die beim zum Herstellen von Bürsten
gehörenden, späteren Verkokungsprozeß zu Oxiden oder
Carbiden umgesetzt werden. Nach FR 977 817 werden mit
Bleinitrat oder -Nitrit imprägnierte Bürsten so hoch
erhitzt, daß durch thermische Zersetzung Bleioxide
entstehen. Ein entsprechendes Verfahren wird nach
DE 31 06 053 zur Umwandlung von Calciumsalzen in oxidische
Calciumverbindungen in Bürsten verwendet. Aus US 2,754,231
geht hervor, daß nach einer Imprägnierung mit einem
Erdalkalimetallsalz wie Bariumfluorid, mit Cumaronindenharz
imprägniert wird, das Harz gehärtet und verkokt wird, dann
mit einer Silbernitratlösung imprägniert und danach das
Silbernitrat in Silbersulfid überführt wird. Gemäß
US 2,512,362 wird in die Bürsten imprägniertes Bleinitrat
oder Bleiacetat durch Erhitzen zunächst in Bleioxid und
dieses dann durch Umsetzen mit HF oder HJ in das ent
sprechende Bleihalogenid überführt. In FR 1 286 033 wird
beschrieben, daß im Porensystem einer Bürste befindliches
Titantetrachlorid zu Titandioxid hydrolysiert und danach
getrocknet wird. Eine polierende Wirkung wird gemäß
DE 625 481 erhalten, wenn die Bürste mit einer Lösung aus
Wasserglas oder Borsäure imprägniert wird und dann die
durch das Imprägnieren eingebrachten Substanzen thermisch
oder chemisch fixiert werden. Nach GB 964 388 wird mit
einer oxidbildenden Metallverbindung imprägniert, durch
thermische Behandlung das Oxid erzeugt und durch weitere
Temperaturerhöhung das gebildete Oxid in ein Carbid
umgesetzt. In der in DE 11 52 750 beschriebenen Bürste sind
die Salze Bariumfluorid und Silbersulfid in einer Matrix
aus verkoktem Kunstharz fixiert. US 2,739,912 offenbart das
Imprägnieren einer Bürste mit Lithiumhydroxid oder
Lithiumacetat in Verbindung mit Ammoniumcarbonat und das
thermische Umsetzen der Lithiumsalze in Lithiumcarbonat.
Bekannte rein organische Zusatzstoffe sind: Gelatine
(DE 444 741), Polyethylene (DE 10 62 613), Polyethylen mit
einem Gehalt an Weichmachern wie z. B. Phthalaten
(DE 12 41 903), Cumaronindenharze (DE 961 461), Naturharz
in der Form von Mastix (DD 41 352) oder in der Form von
Accroides (DD 41 353), linear kondensierende Harze wie
Polyamide (CH 247 319), chlorierte Kohlenwasserstoffe
(DE 23030), ein Gemisch aus Esteröl und einem synthetischen
Kohlenwasserstofföl (DE 43 30 548), Aromastoffe oder
Deodorantien (EP 0 738 030), Niederdruckpolyethylen
(US 3,049,448), Öl hoher Viskosität und Verdampfbarkeit
(DEA 9166, 01.08.1940), einen Härter enthaltendes
Polyesterharz mit einem Gehalt an Styrol (CH 358 504), ein
Gemisch aus einem Polyesterharz und Styrol mit einem Gehalt
eines Weichmachers (CH 397 847), Polyisobutylen
(DD 45175), nitriertes Paraffin (FR 1 328 997), Polyimid
harz (DE 12 65 283), eine Mischung aus einem ungesättigten
Polyester und einem Arylvinylmonomeren wie Styrol und einer
metallorganischen Verbindung als Härtungskatalysator
(FR 1 152 774). Imprägnierungen von Bürsten mit silicium
organischen Verbindungen wie Siliconen, Silanen, Siloxanen
und halogenierten Derivaten der vorgenannten Stoffe sowie
deren Nachbehandlung und die damit erzielten Wirkungen
gehen aus SU 197 737, DE 34 31 533, CH 262 391 und
DE 43 30 547 hervor.
Die Verwendung von anorganischen und organischen
Hilfsstoffen nebeneinander in Bürsten ist in DEA 17779
(20.07.1950) beschrieben: Zunächst wird mit oxidierenden,
salzartigen Verbindungen und nach dem Entfernen des
Lösungsmittels durch Trocknen, mit Fetten, Ölen und
Paraffinen imprägniert. Die US 4,605,581 lehrt, eine Bürste
mit einer Lösung aus einer metallorganischen Verbindung wie
Zinknaphthenat und einem Phenol- oder Epoxidharz zu
imprägnieren. Nach FR 985466 wird zunächst mit einem
Kupfer-, Blei- oder Silbersalz imprägniert. Dann werden
diese Salze zu Sulfiden oder Seleniden umgesetzt und danach
die erhaltenen Sulfide und Selenide durch Imprägnieren mit
einem härtbaren Harz in den Poren des Bürstenkörpers
fixiert. Gemäß DE 10 55 673 wird mit einem hygroskopischen
Salz aus der Gruppe Magnesiumnitrat, Kaliumchlorid,
Magnesiumchlorid und einer organischen Nitroverbindung wie
Nitrobenzolsulfon imprägniert und schließlich lehrt die
US 2,909,452, daß man eine Bürste mit verbesserten
Laufeigenschaften erhält, wenn zunächst mit Natrium
pyrophosphat imprägniert und danach das Salz durch
Imprägnieren mit einem Polyesterharz fixiert wird.
In modernen elektrischen Maschinen werden die mit den
Bürsten in Kontakt stehenden Laufflächen gleichermaßen
mechanisch, elektrisch und thermisch hoch belastet. Für
einen störungsfreien Betrieb der Paarung Bürste/Lauffläche
müssen die Bürsten gute, auf die Lauffläche bezogene
Gleiteigenschaften, dabei einen geringen Verschleiß und
außerdem gute Stromübertragungs- und Kommutierungseigen
schaften haben. Viele der aus dem Stand der Technik
bekannten Bürsten genügen den genannten Anforderungen nicht
oder nicht ausreichend. Es ist z. B. nicht tolerierbar, wenn
eine Bürste zwar gute Gleiteigenschaften hat, dabei aber
einen Gleitfilm auf der Gegenlauffläche erzeugt, der einen
so großen Stromübergangswiderstand hat, daß dadurch während
des Betriebes durch Erhitzen des Kommutators oder des
Schleifrings und der Bürste mittels joule'scher Wärme so
hohe Temperaturen entstehen, daß eine oder mehrere der
genannten Maschinenkomponenten geschädigt werden. Es können
dadurch z. B. Deformationen am Kommutator entstehen oder es
tritt eine in der Bürste enthaltene Hilfssubstanz wie
beispielsweise ein schmelzbares Imprägniermittel aus. Beide
Ereignisse führen zum Ausfall der Maschine. Andere, aus
Mängeln innerhalb der oben genannten Eigenschafts
kombination resultierende Schäden sind für den Fachmann
ohne weiteres denkbar und kommen in der Praxis vor.
Es war deshalb die Aufgabe der der vorliegenden Anmeldung
zugrundeliegenden Erfindung, im wesentlichen aus Kohlen
stoff oder aus einem Kohlenstoffüller und einem Kunstharz
binder bestehende Bürsten für das Übertragen elektrischen
Stromes zu schaffen, die für den Betrieb auf modernen
hochbelasteten elektrischen Maschinen geeignet sind und
beim Betrieb auf solchen Maschinen einen geringen Ver
schleiß bewirken und insbesondere selbst einen geringen
Verschleiß haben sowie gegenüber Bürsten gemäß dem Stand
der Technik eine niedrigere Kollektortemperatur hervor
rufen. Weitere Aufgaben waren die Verringerung der Bürsten
feuer und Funkstörwerte. Ferner sollte mindestens ein
Verfahren zum Herstellen derartiger Bürsten angegeben
werden.
Die Aufgabe wird zum einen durch eine Bürste gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß sie mindestens eine anorganische
Substanz enthält, die ihre Kristallstruktur im Bereich
unterhalb ihres Schmelz-, Sublimations- oder Zersetzungs
bereichs in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.
Zum anderen wird sie durch die kennzeichnenden Teile der
Ansprüche 8., 12., 13., 14. und 15. gelöst, die Verfahren
zum Herstellen erfindungsgemäßer Bürsten angeben. Die
abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung wieder.
Die in der Bürste gemäß der Erfindung enthaltenen
Substanzen, im folgenden erfinderische Substanzen genannt,
müssen ihre vorteilhaften Wirkungen besonders im Bereich
höherer Temperaturen, insbesondere im Bereich von 80 bis
180°C, nämlich dem Temperaturbereich, den die Bürsten
laufflächen moderner Maschinen im Betrieb annehmen,
entfalten. Beim Überschreiten dieser Temperaturen können
mindestens Schäden am Kommutator oder Schleifring
entstehen. Am Beginn der Anlaufphasen der Maschinen, d. h.
bei Raumtemperatur und bei nur leicht erhöhten Temperaturen
bewirken die erfinderischen Substanzen ein Laufverhalten
der Bürsten wie andere bekannte Imprägniermittel auch. Wenn
sich jedoch die Bürstenlaufflächen und die Bürsten nach der
Einlaufphase durch Reibung und die mit dem Übergang von
elektrischem Strom verbundene Wärmeentwicklung auf ihre
Betriebstemperatur erwärmen, durchlaufen die Bürsten und
mit ihnen die in ihnen befindliche erfinderische Substanz
Temperaturen, bei denen sich die Kristallstruktur dieser
Substanz ändert und sich Hochtemperaturmodifikationen der
erfinderischen Substanz bilden, die die vorteilhaften
Wirkungen hervorrufen. Insbesondere muß angenommen werden,
daß die gebildeten Hochtemperaturmodifikationen den während
des Einlaufens auf der Gleitfläche der Maschine ent
standenen Gleitfilm so verändern, daß er einen geringeren
elektrische Widerstand und möglicherweise zusätzlich
günstigere Gleiteigenschaften erhält, denn sonst könnte
nicht sowohl das Absinken der Betriebstemperatur der
Lauffläche und der Bürste als auch eine Verringerung des
Verschleißes der Bürsten und in einigen Fällen auch des
Kollektors festgestellt werden. Mit der Senkung des
elektrischen Widerstands der Grenzschicht zwischen der
Bürste und der Bürstenlauffläche geht auch eine
Verbesserung der Kommutierungsfähigkeit und eine Senkung
der Funkenbildung und damit der Funkstörrate einher.
Erfinderische Substanzen sind insbesondere: Ammoniumnitrat,
Ammoniumbromid, Natriumsulfat, Natriumnitrit, Kaliumnitrat,
Kaliumhydrogensulfat, Cäsiumnitrat, Bariumtitanat, Silber
nitrat, Thalliumnitrat und Thalliumjodid, wobei Ammonium
nitrat bevorzugt verwendet wird. Die Kristallstruktur von
Ammoniumnitrat ändert sich bei 84,2°C von orthorhombisch
in tetragonal und bei 125°C von tetragonal nach kubisch.
Es wird angenommen, daß die mit diesen Änderungen des
Kristallaufbaus einhergehenden Änderungen der physi
kalischen Eigenschaften die Ursache für die positiven
Wirkungen des Ammoniumnitrats sind. Der Gehalt der
erfinderischen Substanzen in den Bürsten beträgt
0,01 bis 9 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Bürsten ohne
die Substanz. Der Gehalt an Ammoniumnitrat liegt bevorzugt
im Bereich von 0,05 bis 3 Gewichtsprozent. Die erfinde
rischen Substanzen können jede für sich allein oder in
Mischung miteinander verwendet werden. Im allgemeinen
befinden sich die erfinderischen Substanzen im flüssig
keitszugänglichen Porenvolumen der Bürsten und bedecken
dort mindestens die Porenwände. Bei mit Kunstharz
gebundenen Bürsten können die erfinderischen Substanzen
auch in die Bindermatrix aus Kunstharz eingebunden sein.
Die positive Wirkung der erfinderischen Substanzen kann
durch Zusatz von organischen Schmier- und Gleitmitteln
weiter verbessert werden. Hierfür können alle aus dem Stand
der Technik bekannten Mittel dieser Art wie beispielsweise
synthetische oder natürliche Wachse oder/und natürliche
oder synthetische wachsartige, als Gleitmittel wirkende
Polymere oder/und synthetische oder natürliche Öle oder/und
synthetische oder natürliche Fette verwendet werden.
Derartige Schmier- und Gleithilfen werden in die
flüssigkeitszugänglichen Poren der Bürsten oder, bei
Bürsten mit einer Kunstharzbindung, in die Poren des
Kohlenstoffüllers der kunstharzgebundenen Bürsten
eingebracht.
Erfindungsgemäße Bürsten mit einer Bindermatrix aus
Kohlenstoff werden hergestellt, indem für die Verwendung
als Bürsten geeignete Kohlenstoffkörper, die entweder
bereits die Form vom Bürsten haben oder aus denen durch
mechanisches Bearbeiten Bürsten hergestellt werden können
und die herstellungsbedingt ein flüssigkeitszugängliches
Porenvolumen haben, mit einer Lösung der erfinderischen
Substanz oder einer Flüssigkeit, in der die erfinderische
Substanz fein verteilt in Schwebe gehalten wird,
imprägniert werden und das Lösungsmittel oder die die
Partikel in der Schwebe haltende Trägerflüssigkeit nach dem
Imprägnieren verdampft wird. Statt einer erfinderischen
Substanz können auch mehr als eine dieser Substanzen
entweder in einem Imprägniervorgang oder in Imprägnier
vorgängen, die nacheinander ausgeführt werden, in die
Kohlenstoffkörper eingebracht werden. Dort, wo eine
ausreichend gute Benetzbarkeit der Kohlenstoffoberflächen
durch die Imprägnierflüssigkeit gegeben ist, kann das
Imprägnieren durch einfaches Tauchen der Kohlenstoffkörper
in die Imprägnierflüssigkeit geschehen. In den meisten
Fällen wird jedoch das sogenannte Vakuum-Druck-Verfahren
angewandt, bei dem die Kohlenstoffkörper in einem Kessel
zuerst einem Unterdruck ausgesetzt, danach mit der
Imprägnierflüssigkeit überschichtet und danach mit Normal-
oder Überdruck beaufschlagt werden. Das Verdampfen des
Lösungsmittels oder der Flüssigkeit, die die Partikel in
der Schwebe hält oder gehalten hat, wird nach den allgemein
bekannten Verfahren durchgeführt, die jeder Verfahrens
techniker kennt. Nach einer bevorzugten Methode werden die
imprägnierten, nassen Körper in einem Ofen, z. B. einem
Durchlaufofen auf eine Temperatur erhitzt, die vorzugsweise
5 K oberhalb der Siedetemperatur des verwendeten Lösungs
mittels oder des Siedebereichs der verwendeten Lösungs
mittelmischung liegt. Bei einem anderen bevorzugten
Verfahren trocknet man die Kohlenstoffkörper in beheizten
Kesseln, die mit einem leichten Unterdruck beaufschlagt
werden können. Zum Imprägnieren können alle graphitierten
und nicht graphitierten Kohlenstoffkörper verwendet werden,
die ein flüssigkeitszugängliches Porenvolumen haben und die
für die Anwendung als Bürstenmaterial für das Übertragen
elektrischen Stromes geeignet sind.
Bei den meisten der erfinderischen Substanzen ist Wasser
das bevorzugte Lösungsmittel. Wo es die Löslichkeitsver
hältnisse zulassen oder wenn Wasser nicht verwendet werden
soll, können auch andere polare Lösungsmittel wie bei
spielsweise Methyl-, Ethyl- Propyl- oder Isopropylalkohol
oder auch Pyridin und zwar allein oder in Mischungen mit
Wasser verwendet werden.
Bei Verwendung von Ammoniumnitrat als erfinderischer
Substanz können wässerige Lösungen verwendet werden, die
1 bis 60 Gewichts-% Ammoniumnitrat enthalten. Bevorzugt
wird jedoch mit einer 3 bis 15 gewichtsprozentigen Lösung
des Salzes in Wasser oder in Methanol gearbeitet. Ganz
allgemein wird die Menge der erfinderischen Substanz, die
in den Poren des Kohlenstoffkörpers abgeschieden werden
soll, über den Gehalt der erfinderischen Substanzen in den
Lösungen gesteuert. Dort, wo es nicht gelingt, in einem
Imprägnier- und Trocknungsschritt die gewünschte Menge
erfinderischer Substanz in den Poren abzuscheiden, wird
mehrfach imprägniert.
In den Fällen, wo wie beim Bariumtitanat, das Verwenden von
Lösungen nicht möglich ist oder wo die folgende Verfahrens
weise vorteilhaft ist, werden zum Imprägnieren Flüssig
keiten verwendet, in denen die erfinderische Substanz
mindestens für die Zeit des Imprägnierens in Schwebe
gehalten ist. Als solche Flüssigkeiten werden bevorzugt
aber nicht ausschließlich Stoffe verwendet, die wie z. B.
Wachse, als Gleitstoff wirkende Polymere, Öle oder Fette,
die nach dem Imprägnieren in den Poren des Kohlenstoff
körpers verbleiben sollen und die die Gleiteigenschaften
der Bürste verbessern. Es können aber auch andere,
bekannte, Suspensionen bildende Medien verwendet werden.
In den meisten Fällen kann eine Verbesserung der Wirkungen
der erfinderischen Substanz erzielt werden, wenn das
Porensystem der mit der erfinderischen Substanz imprä
gnierten Kohlenstoffkörper noch mit einem organischen
Mittel aus der Gruppe natürliche oder synthetische Wachse
oder/und natürliche oder synthetische, als Gleitmittel
wirkende Polymere oder/und natürliche oder synthetische Öle
oder/und synthetische oder natürliche Fette imprägniert
wird. Das Imprägnieren geschieht entweder mit Schmelzen
oder mit Lösungen dieser organischen Mittel. Im Falle der
Verwendung von Schmelzen werden die Körper nach dem
Imprägnieren unter den Schmelzpunkt bzw. Erweichungsbereich
der Mittel abgekühlt. Im Falle der Verwendung von Lösungen
muß das Lösungsmittel nach dem Imprägnieren nach einem der
bekannten Verfahren entfernt werden, von denen einige im
Vorstehenden beschrieben worden sind.
Erfindungsgemäße Bürsten, die eine Bindermatrix aus
Kunstharz haben, werden nach zwei Verfahren hergestellt.
Nach dem einen Verfahren wird die erfinderische Substanz
zuerst nach einem der vorgenannten Verfahren auf der
flüssigkeitszugänglichen Oberfläche des Kohlenstoffüllers
der Bürste fixiert. Sodann wird der so vorbereitete
Kohlenstoffüller mit dem Binderharz vermischt und aus
dieser Mischung in bekannter Weise ein Körper geformt, der
entweder die Form der Bürste hat oder aus dem durch
mechanisches Bearbeiten Bürsten hergestellt werden können.
Nach dem Formgeben wird das Binderharz gehärtet. Beim
zweiten Verfahren wird die erfinderische Substanz in fein
pulverisierter Form in das Binderharz eingemischt und die
so erhaltene Mischung mit dem Kohlenstoffüller gemischt,
diese Mischung dann zu einem Bürstenkörper oder einem für
das Herstellen von Bürsten geeigneten Körper geformt und
das Binderharz gehärtet. Die Menge an erfinderischer
Substanz, die in das Binderharz eingemischt wird, liegt im
Bereich von 0,2 bis 7 Gewichtsprozent, bezogen auf das
nicht erhärtete Binderharz.
Es versteht sich von selbst, daß die Verfahrensschritte des
ersten und des zweiten Verfahrens kombiniert werden können,
wenn gewünscht wird, daß sich die erfinderische Substanz
sowohl im Kohlenstoffüller als auch in der Binderharzmatrix
befindet.
Zum weiteren Regulieren der Betriebseingenschaften der
Bürsten können diese ggf. noch mit weiteren Zusätzen oder
Imprägniermitteln versehen werden, die aus dem Stand der
Technik bekannt sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs
beispielen weiter erläutert.
Ein poröser Vorproduktkörper aus Kohlenstoff (Qualität
T 1047, Hersteller SGL CARBON AG, Bonn), Abmessungen
8 × 14 × 30 mm3, für das Herstellen von Bürsten, wurde in
einem Trockenschrank bei 105°C 5 Stunden lang getrocknet,
sodann in einen Imprägnierkessel überführt und in diesem
einem Vakuum von weniger als 100 Pa ausgesetzt. Sodann
wurde die Verbindung zur Vakuumpumpe geschlossen und der
Kessel vollständig mit einer Lösung geflutet, die
10 Gew.-% Ammoniumnitrat in Wasser enthielt. Nach dem
Ablassen der Lösung wurde der nun imprägnierte Kohlen
stoffkörper aus dem Kessel entnommen und in einem Trocken
schrank acht Stunden lang bei einer Temperatur von 105°C
bei Normaldruck getrocknet. Danach stand er für das
Herstellen von Bürsten in einsatzfähigen Endmaßen durch
mechanisches Bearbeiten oder für weitere Imprägnierungen
bereit. Der Gehalt an Ammoniumnitrat im getrockneten Körper
betrug 0,5 Gew.-%.
Ein gemäß Beispiel 1 mit Ammoniumnitrat imprägnierter
Vorproduktkörper aus Kohlenstoff wurde in einen Kessel
gelegt, der eine Lösung aus 5 Gewichtsprozent Paraffin
(Type Vestowax SH 105, Lieferant Ter Hell Hermann & Co.
GmbH, Hamburg) und 95 Gewichtsprozent Tetrachlorethylen
enthielt. Die Imprägnierlösung war durch Auflösen des
Paraffins in siedendem Tetrachlorethylen hergestellt
worden. Sodann wurde der Kessel geschlossen, mit einem
Rückflußkühler versehen und es wurde die Imprägnier
flüssigkeit unter Atmosphärendruck auf Siedetemperatur
erhitzt und der Kohlenstoffkörper 30 Minuten lang in der so
erhitzten Lösung belassen. Nach dem Entnehmen des nunmehr
mit Ammoniumnitrat und mit Paraffin imprägnierten Körpers
aus dem Kessel wurde der Körper noch 10 Stunden lang in
einem Trockenschrank bei 85°C getrocknet. Danach wurde er
durch mechanisches Bearbeiten zu verwendungsfähigen Bürsten
mit den Abmessungen 6,3 × 11 × 35,5 mm3 für das Übertragen
elektrischen Stromes bearbeitet.
Auf entsprechende Weise wurden unter Verwendung von
Vorproduktkörpern aus Kohlenstoff, die nicht zuvor mit
Ammoniumnitrat imprägniert worden waren, Bürsten für
Vergleichszwecke hergestellt.
Mit nicht imprägnierten Bürsten und mit gemäß den
vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen hergestellten
Bürsten, die nach der Endbearbeitung die Abmessungen
6,3 × 11 × 35,5 mm3 aufwiesen, wurden Laufversuche auf
Wechselstrommotoren des gleichen Typs unter den folgenden
Betriebsbedingungen durchgeführt:
Umfangsgeschwindigkeit an der Bürstenlauffläche : 31,5 m/s
Übertragungsleistung: 1200 Watt
Laufzeit: 400 Stunden.
Umfangsgeschwindigkeit an der Bürstenlauffläche : 31,5 m/s
Übertragungsleistung: 1200 Watt
Laufzeit: 400 Stunden.
Der Kommutator eines jeden Wechselstrommotors war mit zwei
Bürsten bestückt, die in üblichen Bürstenhaltern geführt
unter dem Druck üblicher Bürstenfedern gegen die Lauffläche
gedrückt wurden.
Die Übertemperatur des Kollektors ist die gemessene
Differenz zwischen der jeweiligen Raumtemperatur und der
Temperatur der Kollektoroberfläche an der Laufzone der
Bürsten im laufenden Betrieb. Die Raumtemperatur während
der Messungen lag im Bereich von 20 bis 25°C.
Auf einem Schleifringprüfstand wurden nicht imprägnierte
und nur mit Ammoniumnitrat imprägnierte Bürsten der
Qualität RE 500, Hersteller SGL CARBON AG, Bonn, im
Vergleich getestet. Das Imprägnieren war gemäß
Ausführungsbeispiel 1 vorgenommen worden. Zur Durchführung
der Versuche wurden einmal 8 Bürsten mit einer
Ammoniumnitratimprägnierung und ein anderes mal 8 Bürsten
ohne Imprägnierung unter sonst gleichen Bedingungen laufen
gelassen. Von den in einem Lauf getesteten Bürsten einer
Kategorie waren je 4 auf einer Laufspur positiv und je 4
auf der anderen Laufspur negativ gepolt. Die weiteren
Versuchsdaten waren:
Umfangsgeschwindigkeit der Lauffläche: 78 m/s
Strombelastung pro Bürstenlauffläche: 8 A/cm2
Laufdauer: 300 Stunden.
Umfangsgeschwindigkeit der Lauffläche: 78 m/s
Strombelastung pro Bürstenlauffläche: 8 A/cm2
Laufdauer: 300 Stunden.
Die Messungen während der Versuche zeigten, daß die
Stromverteilung bei den erfindungsgemäßen Bürsten über die
gesamte Laufzeit äußerst gleichmäßig war. Jede der Bürsten
übertrug stets 25% ± 1% des Gesamtstroms. Bei den nicht
imprägnierten Bürsten lag die Stromverteilung zwischen
0 und 60% pro Bürste, d. h., einige Bürsten übertrugen
zeitweise gar keinen Strom.
Es wurden folgende gemittelten Verschleißwerte gemessen:
Die Meßwerte beider Versuchsgruppen zeigen, daß das Lauf
verhalten der gemäß der Erfindung imprägnierten Bürsten
insgesamt erheblich besser ist als das unimprägnierter
Bürsten. Das betrifft insbesondere den Bürstenverschleiß
sowohl bei Gleich-, als auch bei Wechselstrommaschinen.
Beim Kollektorverschleiß tritt die Verbesserung erst bei
den Varianten mit einer zusätzlichen Paraffinimprägnierung
in Erscheinung. Daß aber auch der Kollektor insgesamt
geschont wird und daß die Gleit- und Stromübertragungs
eigenschaften durch Verwendung erfindungsgemäß imprä
gnierter Bürsten erheblich verbessert werden, geht aus der
Senkung der Kollektortemperaturen während des Betriebs
hervor. Des weiteren wurden beim Laufen der mit
Imprägnierung versehenen Bürsten wesentlich weniger
Bürstenfeuer bzw. Funken beobachtet. Daraus folgt, daß die
erfindungsgemäßen Bürsten auch weniger Funkstörungen
verursachen.
Claims (16)
1. Aus Kohlenstoff oder aus einem Kohlenstoffüllstoff und
einer Bindermatrix aus Kunstharz bestehende Bürste für
das Übertragen elektrischen Stromes mit einem Gehalt von
mindestens einer anorganischen Substanz,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Bürste mindestens eine anorganische Substanz
enthält, die ihre Kristallstruktur im Bereich unterhalb
ihres Schmelz-, Sublimations- oder Zersetzungsbereichs
in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.
2. Bürste gemäß Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Bürste mindestens eine Substanz aus der Gruppe
Ammoniumnitrat, Ammoniumbromid, Natriumsulfat,
Natriumnitrit, Kaliumnitrat, Kaliumhydrogensulfat,
Cäsiumnitrat, Silbernitrat, Thalliumnitrat,
Thalliumjodid, Bariumtitanat enthält.
3. Bürste gemäß einem der Patentansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Gehalt der ihre Kristallstruktur ändernden Substanz
in der Bürste mindestens 0,01 und höchstens 9,0
Gewichtsprozent beträgt.
4. Bürste gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die ihre Kristallstruktur ändernde Substanz
Ammoniumnitrat ist.
5. Bürste gemäß Patentanspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Gehalt an Ammoniumnitrat in der Bürste im Bereich
von 0,05 bis 3 Gewichtsprozent liegt.
6. Bürste gemäß einem oder mehreren der Patentansprüche
1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Bürste zusätzlich ein organisches Mittel aus der
Gruppe natürliche oder synthetische Wachse oder/und
natürliche oder synthetische wachsartige, als Gleit
mittel wirkende Polymere oder/und synthetische Öle
oder/und natürliche oder synthetische Fette enthält.
7. Bürste gemäß einem oder mehreren der Patentansprüche
1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
- a) die ihre Kristallstruktur ändernde Substanz oder
- b) die ihre Kristallstruktur ändernde Substanz und das zusätzlich vorhandene organische Mittel im wesent lichen in den flüssigkeitszugänglichen Poren der Bürste befindet.
8. Verfahren zum Herstellen einer die Merkmale des
Patentanspruchs 1 aufweisenden Bürste aus Kohlenstoff,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) ein für die Verwendung als Bürstenmaterial oder als Bürste für das Übertragen elektrischen Stromes geeigneter, ein offenes Porenvolumen aufweisender Körper aus Kohlenstoff in eine Lösung mindestens einer ihre Kristallstruktur unterhalb ihres Schmelz-, Sublimations- oder Zersetzungsbereichs in Abhängig keit von der Temperatur ändernden Substanz oder in eine Flüssigkeit, in der mindestens eine ihre Kristallstruktur in Abhängigkeit von der Temperatur ändernde Substanz in fein verteilter Form in Schwebe gehalten ist, getaucht und mit dieser Lösung oder partikelhaltigen Flüssigkeit imprägniert wird,
- b) sodann das Lösungsmittel oder der Flüssigkeitsanteil der partikelhaltigen Flüssigkeit verdampft wird.
9. Verfahren gemäß Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
zum Imprägnieren eine Lösung von Ammoniumnitrat in
einem Lösungsmittel aus der Gruppe Wasser,
Methylalkohol, Äthylalkohol, Pyridin verwendet wird.
10. Verfahren gemäß Patentanspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
zum Imprägnieren eine 1 bis 60 Gew.-% Ammoniumnitrat
enthaltende wässerige Lösung verwendet wird.
11. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
das imprägnierte Kohlenstoffmaterial zum Entfernen des
Lösungsmittels oder des Flüssigkeitsanteils der Flüssig
keit, in der die Substanz, die ihre Kristallstruktur in
Abhängigkeit von der Temperatur ändert, in Schwebe
gehalten wird, auf eine Temperatur erhitzt wird, die
mindestens 5 K über dem Siedebereich des verwendeten
Lösungsmittels oder des Flüssigkeitsanteils der schweb
stoffhaltigen Flüssigkeit liegt.
12. Verfahren zum Herstellen einer die Merkmale des
Patentanspruchs 6 aufweisenden Bürste aus Kohlenstoff,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) ein für die Verwendung als Bürstenmaterial oder als Bürste für das %ertragen elektrischen Stromes geeigneter, ein offenes Porenvolumen aufweisender Körper aus Kohlenstoff in eine Lösung mindestens einer ihre Kristallstruktur in Abhängigkeit von der Temperatur ändernden Substanz oder in eine Flüssig keit, in der mindestens eine ihre Kristallstruktur unterhalb ihres Schmelz-, Sublimations- oder Zersetzungsbereichs in Abhängigkeit von der Temperatur ändernde Substanz in fein verteilter Form in Schwebe gehalten ist, getaucht und mit dieser Lösung oder partikelhaltigen Flüssigkeit imprägniert wird,
- b) sodann das Lösungsmittel oder der Flüssigkeitsanteil der schwebstoffhaltigen Flüssigkeit verdampft wird,
- c) danach der mindestens eine, die Kristallstruktur in Abhängigkeit von der Temperatur ändernde Substanz enthaltende Körper aus Kohlenstoff durch Eintauchen in eine Schmelze aus einem organischen Mittel aus der Gruppe natürliche oder synthetische Wachse oder/und natürliche oder synthetische, wachsartige, als Gleit mittel wirkende Polymere oder/und natürliche oder synthetische Öle oder/und synthetische oder natür liche Fette mit diesem Mittel imprägniert und d) der Körper nach dem Imprägnieren auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
13. Verfahren zum Herstellen einer die Merkmale des Patent
anspruchs 6 aufweisenden Bürste aus Kohlenstoff,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) ein für die Verwendung als Bürstenmaterial oder als Bürste für das Übertragen elektrischen Stromes geeigneter, ein offenes Porenvolumen aufweisender Körper aus Kohlenstoff in eine Lösung mindestens einer ihre Kristallstruktur unterhalb ihres Schmelz-, Sublimations- oder Zersetzungsbereichs in Abhängig keit von der Temperatur ändernden Substanz oder in eine Flüssigkeit, in der mindestens eine ihre Kristallstruktur in Abhängigkeit von der Temperatur ändernde Substanz in fein verteilter Form in Schwebe gehalten ist, getaucht und mit dieser Lösung oder partikelhaltigen Flüssigkeit imprägniert wird,
- b) sodann das Lösungsmittel oder der Flüssigkeitsanteil der schwebstoffhaltigen Flüssigkeit verdampft wird,
- c) danach der Körper aus Kohlenstoff durch Eintauchen in eine Lösung aus einem organischen Mittel aus der Gruppe natürliche oder synthetische Wachse oder/und natürliche oder synthetische, wachsartige, als Gleitmittel wirkende Polymere oder/und natürliche oder synthetische Öle oder/und synthetische oder natürliche Fette mit diesem Mittel imprägniert und dann
- d) das Lösungsmittel der in den Poren des Körpers befindlichen Lösung nach dem Entnehmen des Körpers aus dem Imprägnierbad durch Verdampfen entfernt wird.
14. Verfahren zum Herstellen eines die Merkmale des
Patentanspruchs 1 aufweisenden Bürstenwerkstoffs aus
einem Kohlenstoffüllstoff und einer Bindermatrix aus
Kunstharz,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Mischung aus einem Kunstharzbindemittel, einem für
das Herstellen von Bürsten geeigneten Kohlenstof
füllstoff und mindestens einer anorganischen Substanz,
die ihre Kristallstruktur unterhalb ihres Schmelz-,
Sublimations- oder Zersetzungsbereichs in Abhängigkeit
von der Temperatur ändert, hergestellt wird, diese
Mischung zu einem als Bürste oder als Vorprodukt für das
Herstellen einer Bürste geeigneten Körper geformt und
der Kunstharzanteil des Körpers gehärtet wird.
15. Verfahren zum Herstellen eines die Merkmale des
Patentanspruchs 1 aufweisenden Bürstenwerkstoffs aus
einem Kohlenstoffüllstoff und einer Bindermatrix aus
Kunstharz,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) ein für das Herstellen von Bürsten geeigneter Kohlenstoffüllstoff mit der Lösung einer anorga nischen Substanz, die ihre Kristallstruktur im Bereich unterhalb ihres Schmelz-, Sublimation- oder Zersetzungsbereichs in Abhängigkeit von der Temperatur ändert oder mit einer Flüssigkeit, in der eine solche anorganische Substanz in Partikelform in Schwebe gehalten ist, imprägniert wird,
- b) nach dem Imprägnieren das Lösungsmittel oder die Flüssigkeit, in der die anorganische Substanz in Schwebe gehalten worden ist, aus dem Kohlenstof füllstoff durch Verdampfen entfernt wird,
- c) eine Mischung aus einem Kunstharzbindemittel und dem nach den Verfahrensschritten a) plus b) hergestellten Kohlenstoffüllstoff hergestellt wird,
- d) diese Mischung zu einem als Bürste oder als Vor produkt für das Herstellen einer Bürste geeigneten Körper geformt und
- e) der Kunstharzanteil des Körpers gehärtet wird.
16. Verfahren zum Herstellen eines Bürstenwerkstoffes nach
Patentanspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
in Verfahrensschritt c) anstatt des Kunstharzbinde
mittels eine Mischung aus einem Kunstharzbindemittel und
einer anorganischen Substanz, die ihre Kristallstruktur
im Bereich unterhalb ihres Schmelz-, Sublimations- oder
Zersetzungsbereichs in Abhängigkeit von der Temperatur
ändert, verwendet wird.
Priority Applications (4)
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DE19752864A DE19752864A1 (de) | 1997-11-28 | 1997-11-28 | Imprägnierte Bürste aus Kohlenstoff für das Übertragen elektrischen Stromes |
EP98121048A EP0930675A3 (de) | 1997-11-28 | 1998-11-06 | Imprägnierte Bürste aus Kohlenstoff für das übertragen elektrischen Stromes |
CZ983674A CZ367498A3 (cs) | 1997-11-28 | 1998-11-12 | Impregnovaný uhlíkový kartáč pro přenášení elektrického proudu a způsob výroby kartáče a kartáčového materiálu |
PL98329963A PL329963A1 (en) | 1997-11-28 | 1998-11-27 | Carbon current carrying brush and method of making same |
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DE19752864A DE19752864A1 (de) | 1997-11-28 | 1997-11-28 | Imprägnierte Bürste aus Kohlenstoff für das Übertragen elektrischen Stromes |
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- 1998-11-06 EP EP98121048A patent/EP0930675A3/de not_active Withdrawn
- 1998-11-12 CZ CZ983674A patent/CZ367498A3/cs unknown
- 1998-11-27 PL PL98329963A patent/PL329963A1/xx unknown
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Derwent Abstract zu SU 902158 B * |
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Publication number | Publication date |
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PL329963A1 (en) | 1999-06-07 |
EP0930675A3 (de) | 2001-02-21 |
CZ367498A3 (cs) | 1999-07-14 |
EP0930675A2 (de) | 1999-07-21 |
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