-
Kohlebürste für elektrische Maschinen und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Kohlebürste für elektrische maschinen sowie die Verfahren
zu ihrer Herstellung Für elektrische Maschinen werden vorwiegend elektrographitierte
Kohlebürsten verwendet. zur Herstellung dieser Kohlebürsten bedient man sich der
in der Kunstgraphittechnologie üblichen keramischen Arbeitsmethoden, wie Herstellung
einer grünen Mischung aus Koks, Ruß oder Graphit oder anderen Eüllstoffen und einem
organischen Bindemittel, Verformen der grünen Mischung und anschließende Brenubehandlung
bis etwa 1000° C sowie einer nachfolgenden Graphitierungsbehandlung oberhalb 2200°C.
Aufgrund dieser Technologie weisen die resultierenden Elektregraphite, aus denen
die Kohlebürsten herausgearbeitet werden, beträchtliche Porositäten in der Größenordnung
von etwa 30 % auf 0 Es hat sich nun gezeigt, daß bei hochtourigen elektrischen Maschinen,
insbesondere auch bei Schleifringen mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten derart konventionell
hergestellte Kohlebürsten in aerodynamischer hinsicht nicht befriedigen.
-
Das bedeutet, daß sich trotz der relativ hohen Porosität der Kohlebürsten
im Lauf zwischen der Kohlebürstenlaufflache und dem Kommutator oder dem Schleifring
ein Luftpolster bildet. Dieses Luftpolster hat zur Folge, daß der elektrische Kontakt
zwischen der Kohlebürste und dem rotierenden Kommutator oder Ring verloren geht
und somit die Bürste infolge überschlagender Lichtbogen feuert.
-
Ein derartiges, von Bürstenfeuer begleitetes Laufverhalten ist deshalb
unerwünscht, weil es einerseits auf dem rotierenden Kommutator oder Ring zu sogenannten
Anbrennungen kommt und andererseits der Bürstenverschleiß stark ansteigt.
-
(Bull. des schweizerischen elektrotechnischen Vereins 64 (1973) 639)
Zur Lösung des Problems wurden bereits eine Reihe von Vorschlägen gemacht. Hierzu
zählt insbesondere die sogenannte Kohlenstoff-?aserbürste, bei welcher der elektrische
Kontakt durch pinselförmig zusammengefaßte Kohlenstoffasern hergestellt wird. (OS
1 910 906) Derartige Faserbürsten stellen jedoch aufgrund der hohen Kohlenstoffaserpreise,
der erforderlichen Beschichtung der Fasern mit Kupfer oder Nickel und auch wegen
der uaständlichen Herstellungsverfahren der Pinsel keine wirtschaftliche Lösung
des Problems dar.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kohlebürste herzustellen bzw. aufzubauen,
die unter Vermeidung der erwähnten Nach teile bekannter Vorschläge gegenüber den
beschriebenen aerodynamischen Effekten stabil ist und somit auch bei höchsten Umfangsgeschwindigkeiten
gut kontaktiert und damit kein Burstenfeuer erzeugt.
-
Genäß der Erfindung besteht die vorgeschlagene Kohlebürste aus einem
dreidimensionalen Fasergerüst, wie es beispielsweise in Kohlenstoff- oder Graphitfilzen
bereits vorgebildet ist. Der direkten Verwendung der Kohlenstoff- oder Graphitfilze
steht entgegen, daß diese sowohl zu weich als auch zu locker sind, d. h. über keine
ausreichende mechanische Festigkeit und auch über ein zu geringes Raumgewicht verfügen,
so daß letzten Endes auch der spezifische elektrische Widerstand für den Strorndurchgang
zu hoch ist
Demzufolge ist es auch Aufgabe der Erfindung, derartige
Filze so weiter zu behandeln, daß sie sowohl über ausreichende mechanische Festigkeiten
als auch über ausreichend niedrige spezifische elektrische Widerstände verfügen.
-
Hierfür bietet sich die IÇohlenstoffabscheidung auf den einzelnen
Monofilen der Filze sowohl aus der Gasphase als auch aus der flüssigen Phase an.
-
Über den Ilochtemperaturweg der Gasphasenpyrolyse wird Kohlenstoff
durch Pyrolyse leichter Kohlenwasserstoffgase wie Methan, Äthan, Propan, Butan oder
auch der entsprechenden ungestättigten Kohlenwasserstoffe in bekannter Weise auf
den Monofilen der Pilze abgeschieden. Hierbei werden die Reaktionsbedingungen, d.
h. der Partialdruck des- Pyrolysegases als auch die Temperatur und die Strömungsbedingungen
so gewählt, daß eine gleichmäßige Beschichtung der einzelnen Monofile über den Querschnitt
des Filzes erfolgt. Zur Beschleunigung der Abscheidung und vor allem für eine gleichmäßige
Abscheidung über den gesamten Querschnitt des Filzes ist es von Vorteil, dem zu
beschichtenden Filz durch entsprechende apparative Anordnungen während der Pyrolyse
in Richtung der Beschichtungstiefe einen Temperaturgradienten so aufzuprägen, daß
die vom Pyrolysegas angeströmte Seite "kalt" ist und lediglich die der Anströmfläche
gegenüberliegende Seite des Filzes geheizt wird (vgl. Fig. 1).
-
Die in Fig. 1 skizzierte Anordnung zeigt eine "heiße, strahlende ebene
Wand (1), den parallel vor ihr angeordneten Filz (2) sowie die Anströmrichtung des
Gases (5).
-
Aufgrund der bekannten Wärmeisolationswirkung der Kohlenstoff- oder
Graphitfilze und der einseitigen Aufheizung besitzen diese bei der gezeigten Anordnung
ein hohes Temperaturgefälle von Fläche (3) nach Fläche (4). Das bedeutet, daß das
Reaktionsgas unzersetzt von der Fläche (4) durch den Filz hindurchströmen kann und
erst im Bereich der heißen Fläche (3) abreagiert. Mit zunehmender Abscheidung von
Kohlenstoff auf den Monofilen des Filzes im Bereich der heißen Seite (3) steigt
jedoch die Wärmeleitfähigkeit des Materials an. Das hat zur Folge, daß in dem bereits
beschichteten Bereich nahezu isotherme Temperaturverhältnisse herrschen, so daß
sich die Reaktionsfront, das ist der Ort, an welchem das Reaktionsgas abreagiert,
zunehmend von Fläche (3) nach Fläche (4) verschiebt.
-
Dadurch ergeben sich zweierlei Vorteile, nämlich: (1.) die Abscheidung
erfolgt aus der Tiefe heraus,*was eine gleichmäßige Beschichtung der einzelnen Monofile
über den Querschnitt begünstigt und (2.) die Abscheiderate kann durch Erhöhung des
Partialdruckes und/oder der Reaktionstemperatur gesteigert werden. Dies ergibt sich
daraus, daß die Abscheidung durch die Anwendung des Temperaturgradienten weniger
ausgeprägt im sogenannten reaktionskontrollierten Bereich durchgeführt werden muß,
weil nicht die Gefahr besteht, daß das Reaktionsgas bereits an der Anströmfläche
(4) abreagiert.
-
Anstelle der Kohlenstoff- oder Graphitfilze können die Abscheidungen
selbstverständlich auch auf anderen dreidimensional vernetzten und aus draht- oder
stengelförmigen Einzelteilen bestehenden Substraten erfolgen. Hier ist insbesondere
an Metallfilze, -gewebe oder dergleichen gedacht. Ebenso sind anorganische, d. h.
mineralische Filze oder Wollen, wie z. B. Glas- oder Steinwolle als Substrat
geeignet.
Sofern es sich um karbidbildende Metalle, wie beispielsweise Eisen, Nickel, Aluminium
oder andere handelt, ergibt sich nämlich aus der Verwendung dieser Materialien der
weitere Vorteil, daß bei einer nachfolgenden Graphitierungsbehandlung eine "katalytische"
Graphitierung des abgeschiedenen Kohlenstoffes erfolgt.
-
Hierunter ist zu verstehen, daß die Graphitierungstemperatur von in
der Regel 25000 C auf 20000 C und darunter gesenkt werden kann. Außerdem gestatten
die Grapiiitierungskatalysatoren eine Graphitierung sogenannter harter Kohlenstoffe,
d. h. auf rein thermischem Wege nicht graphitierbarer Kohlenstoffe wie beispielsweise
Glaskohlenstoff.
-
Wählt man zur Beschichtung der Filze anstelle des Hochtemperaturweges
der Gasphasenpyrolyse den Niedertemperaturweg der Plüssigphasenpyrolyse, so besteht
der Prozeß im wesentlichen darin, daß man die Filze in einem Teer, einem Pech, einer
Polymerschmelze bzw. -lösung taucht, und sodann einer Niedertemperaturpyrolyse unterzieht.
Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis eine ausreiehend dicke Schicht auf den
einzelnen Monofilen der Filze erreicht ist, ür die Niedertemperaturpyrolyse genügen
bereits Temperaturen oberhalb 4500 C, sie müssen in keinem Falle höher als 8500
C sein.
-
Das wiederholte Tauchen und Verkoken kann absatzweise oder kontinuierLich
erfolgen. Eine schematische Skizze der ersten Verfahrensstufe des kontinuierlichen
Verfahrensablaufs zeigt beispielhaft Fig, 2.
-
Ein endloses Filz- bzw. Gewebeband (10) wird über Transportrollen
(I) und Umlenkrollen (2) durch das Tränkbad (3) hindurchaefilllrt. Sodann läuft
es über einen Auffangbehälter (4), wobei es durch. eine Strahlungsheizung (5) weiter
erwärmt wird, damit dadurch Viskositätserniedrigung überschüssiges Tränkmittel auslaufen
kann.
-
Die Walzenpaare (ó) haben sowohl die Aufgabe von Transportrollen als
auch von Verdichtungselementen, um den durch das Tränken scElwammartig aufgehenden
Filz wieder zu verdichten. Hiernach durchläuft der getränkte Filz einen Ofen (7),
der bei konstanter Temperatur gefahren und mit Schutzgas gespült wird.
-
In diesem Ofen befinden sich weitere Rollenpaare (8), die erneut sowohl
als Transportrollen wie auch als Verdichtungselemente fungieren. Hierbei wird der
Filz in der Verfestigungsphase des pyrolisierenden Tränkmittels auf das gewünschte
Dickenmaß verdichtet. Die Transportrollen (9) sind wiederum identisch den Transportrollen
(1).
-
Für diese Abscheidungen kann man neben einem Kohlenstoff-, Graphit-
oder Metallfilm und dergleichen auch einen nicht verkoken grünen Polymerfilz für
die Beschichtung verwenden; dieser wird dann bei der ersten Pyrolyse mitverkokt.
Nach der pyrolitischen Abscheidung erfolgt in jedem Falle eine Graphitierungsbehandlung
in bekannter Weise oberhalb 2200a C, um den gebildeten Kohlenstoff zu graphitieren.
Diese Behandlung ist deshalb erforderlich, da lediglich elektrographitierte Kohlenstoffe
die gewünschten Laufeigenschaften auf den voranstehend angeführten elektrischen
Maschinen besitzen.
-
Eine weitere Variation der Beschichtung der Monofile eines "grünen"
Filzes oder eines bereits verkokten bzw. graphivierten Kohlenstoffilzes besteht
darin, daß man den als Beschichtungsmaterialien in Frage kommenden Teeren, Pechen,
Polymeren usw. feinste Koks- und/oder Naturgraphit- und/oder Elektrographitpulver
in kolloidaler Feinheit oder aber Ruß zusetzt, damit die Dickenzunahme und damit
der Festigkeitsgewinn pro Imprägnier- und Verkokungszyklus möglichst groß ist.
-
Die Herstellung eines Kohlebürstenmaterials auf dem beschriebenen
Weg der Niedertemperaturpyrolyse soll anhand eines Beispiels erläutert werden.
-
Beispiel: Bin Kohlenstoffilz mit den Abmessungen 10 x 10 x 15 mm wurde
in einem Steinkohlenteerpech mit einem Erweichungs punkt von 850 C während einer
Viertelstunde getränkt. Hiernach erfolgt ein Abtropfen überschüssigen Peches aus
dem Filz in einem Umluftwärmeschrank bei einer Temperatur von 1600 C. Hieran schließt
sich eine Verdichtung des impräg nierten Filzes zwischen zwei Platten bei einer
Temperatur von 1200 C an. Die Pyrolyse erfolgt in einem Schutzgas ofen unter Stickstoffatmosphäre
bis zu einer Temperatur von etwa 6000 C, wobei der Filz auf einer Stahlplatte gelagert
und durch eine ebensolche beschwert wird. Dieser Prozeß wird 3 mal durchlaufen.
Nach dem dritten Durchgang erfolgt eine Graphitierungsbehandlung bei 26000 C. Das
auf diese Weise erhaltene Produlçt besitzt ein Raumgewicht von 0,8 g/cm3 (theoretischer
Wert für massiven Graphit 2,25 g/cm3) und einen elektrischen Widerstand von 25 Ohm
mm2/m. Aus diesen Materialien wurden Kohlenstoffbürsten geschnitten und Laufversuche
auf einem Scheinkommutator mit 400 mm Durchmesser unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
1.
'Normalbedingungen", d. h. eine Umfangsgeschwindigkeit von 40 m/sec und eine spezifische
Strombelastung von 12 A/cm2. Unter diesen Bedingungen wurden folgende Brgebnisse
erhalten: a) ein Reibwert von 0,15, b) ein mittlerer Verschleiß vom 3/u/h, c) eine
Übergangsspannung von 1,5 V, d) eine völlig gleichmäßige Stromverteilung auf die
einzelnen Bürsten.
-
2, 'fSchnellaufbedingungen". Bei diesen Versuchen wurde die Umfangsgeschwindigkeit
mehrfach auf 80 m/sec gesteigert und wieder erniedrigt. Dabei zeigte es sich im
Gegensatz zu konventionell hergestellten Kohlebürsten, daß sämtliche der voranstehend
aufgeführten Werte absolut konstant blieben. Das bedeutet absolut konstanter Reibwert,
völlig konstante Übergangsspannung und auch keinerlei Anzeichen von Feuern. Hierdurch
wird die überragende Kontaktierung der erfindungsgemäßen Kohlebürste unterstrichen.
-
Abschließend sei nochmals erwähnt, daß entscheidend sowohl für die
Struktur als auch für die erstellung der erfindungsgemäßen Kohlebürste der Filz
bzw. die durch den Filz oder dergleichen vorgegebene räumliche Struktur ist, Für
des Endprodukt aller Verfahren, d. h. den graphitierten Kohlenstoffkörper ist es
nicht erforderlich, daß der primäre Filz unverändert vorliegt; so kann beispielsweise
im Falle eines Metallgewebes dieses Metall im Kohlenstoff gelöst, als karbidische
Phase vorliegen oder aber auch verdampft sein. In diesen Fällen könnten sogar von
Röhren durchzogene Strukturen resultieren.