DE2817317A1

DE2817317A1 - Stromuebertragungsbuerste

Info

Publication number: DE2817317A1
Application number: DE19782817317
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl Phys Dr Diepers; Horst Muesebeck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-04-20
Filing date: 1978-04-20
Publication date: 1979-10-25
Also published as: FR2423893A1; US4361775A; FR2423893B1; GB2019660B; GB2019660A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 7 5 10 BRD

Stromübertragungsbürste

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromübertragungsbürste mit einer Vielzahl zu einem Schleifkörper zusammengefaßter, sich zumindest annähernd senkrecht zur Kontaktfläche der Bürste erstreckender Fasern aus Graphit und mit Teilen aus elektrisch leitendem Material.

Die in elektrischen Maschinen verwendeten Bürsten dienen zur Stromübertragung zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Maschinenteil» Durch die Verwendung von Graphit werden eine gute elektrische Leitfähigkeit der Bürste und zugleich gute Gleiteigenschaften auf dem mit dem rotierenden Maschinenteil verbundenen Kontaktkörper, beispielsweise einem Schleifring oder einem Kommutator, gewährleistet. Die Laufeigenschaften einer solchen Bürste sind hauptsächlich durch den Reibwert /U

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als Funktion der Umfangsgeschwindigkeit des mit dem rotierenden Maschinenteil verbundenen Kontaktkörpers und durch den Spannungsabfall ^U als Funktion der über die Bürste übertragenen Stromdichte bestimmt. Beide Größen hängen stark von der sich auf dem rotierenden Kontaktkörper bildenden Fremdhaut ab, die auch als Film oder Patina bezeichnet wird. Diese Fremdhaut setzt sich aus den bei Betrieb abgeriebenen Materialien des Schleifkörpers der Bürste und des Kontaktkörpers zusammen. Ihre Dicke und Beschaffenheit wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflußt. So wird sie beispielsweise durch die stoffliche Zusammensetzung des Graphits und des Kontaktkörpers, durch die vorgesehene Stromdichte sowie durch die Umfangsgeschwindigkeit und die Temperatur des Kontaktkörpers bestimmt. Außerdem hängt sie vom Anpreßdruck der Bürste und insbesondere auch von den sich stets ändernden Einflüssen der Atmosphäre wie Boden- oder Höhenklima, Luftfeuchtigkeit, chemisch aggressiven Gasen und Dämpfen ab.

Die Schleifkörper solcher Graphitbürsten können eine Vielzahl von zu einem Bündel zusammengefaßten Fasern aus Kohlenstoff ader Graphit enthalten, die mit einem Metallfilm hoher elektrischer Leitfähigkeit überzogen sind (britische Patentschrift 1,191,234). Als Ausgangsmaterial djenen dabei Graphitfasern in Form eines Taus mit mehreren 1000 Einzelfasern. Entsprechende Fasern sind teispielsweise aus der britischen Patentschrift 1,110,791 bekannt. Der Vorteil dieser Faserbürsten gegenüber den bekannten Bürsten mit einem Elektrographitblock liegt darin, daß wesentlich mehr Kxintaktpunkte zwischen dem Schleifkörper und der rotierenden Kontaktoberfläche vorhanden sind, die Fasern sehr elastisch sind und

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damit die elektrischen Werte und die mechanischen Laufeigenschaften der Bürste verbessert werden.

Die Metallisierung der einzelnen Graphitfasern 1st jedoch verhältnismäßig aufwendig. Mit den bekannten Verfahren zur stromlosen oder galvanischen Abscheidung kann außerdem nur eine beschränkte Auswahl von Metallen auf den Graphitfasern aufgebracht werden. Bei diesen chemischen Verfahren besteht im allgemeinen die Schwierigkeit, daß das aufzubringende elektrisch leitende Material auf dem Graphitmaterial schlecht haftet. Vielfach ist deshalb eine Vorbeschiohtung mit einem besser haftenden Trägermaterial erforderlich, auf das in einem weiteren Verfahrensschritt dann das gewünschte elektrisch leitende Material abgeschieden werden kann. Außerdem besteht bei diesem Verfahren die Gefahr, daß einzelne Fasern während ies BeSchichtungsvorganges aneinanderhaften und somit eine ungleichmäßige Beschichtung erreicht wird. Aufgrund dieser Schwierigkeiten werden physikalische Verfahren bevorzugt. Besonders vorteilhaft ist eine Metallisierung der Fasern durch Ionenplattleren. Unter einem Ionenplattieren versteht man dabei einen Verdampfungsprozeß, bei dem die abzuscheidenden Atome oder Moleküle in einem Plasma zum Teil ionisiert werden und in einem elektrischen Feld mit höherer Energie auf den zu beschichtenden Graphitkörper auftreffen ("Vakuumtechnik", 1976, Seiten 65 bis 72 und 113 bis 120). Bei diesem Verfahren kann auf die beispielsweise bei galvanischen Beschichtungsverfahren erforderlichen Trägerschicht verzichtet werden. Darüber hinaus ist eine verhältnismäßig gleichmäßige Beschichtung aller Fasern eines Faserbündels möglich, ohne daß zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen. Eine entsprechende Apparatur

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zum Beschichten der Graphitfasern eines Faserbündels ist jedoch verhältnismäßig aufwendig.

Darüber hinaus können mit den bekannten Beschichtungsverfahren nur verhältnismäßig geringe Schichtdicken eines elektrisch leitenden Materials auf den einzelnen Fasern aufgebracht werden. Eine Anpassung einer aus solchen Fasern zusammengesetzten Bürste an die Besonderheiten verschiedener Maschinentypen ist deshalb nur in beschränktem Umfange möglich. So läßt sich beispielsweise das Verhältnis von Metall zu Graphit in einer solchen Bürste ohne besondere zusätzliche Maßnahmen nicht beliebig vorgeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Stromübertragungsbürste zu schaffen, bei deren Herstellung diese Schwierigkeiten nicht oder nur in unwesentlichem Maße auftreten. Insbesondere soll diese Bürste verhältnismäßig einfach und deshalb kostengünstig hergestellt werden können und dabei das Verhältnis von Metall zu Graphit ihres Schleifkörpers ohne zusätzliche Maßnahmen leicht variiert werden können.

Diese Aufgabe wird für eine Stromübertragungsbürste der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch■ gelöst, daß ein Schleifkörper mit Graphitfaserbündeln, die mit Fäden aus dem elektrisch leitenden Material verseilt sind, vorgesehen ist.

Die Vorteile dieser Gestaltung der Stromübertragungsbürste bestehen insbesondere darin, daß das Verseilen der Graphitfaserbündel mit Metallfaden nach bekannten Methoden leicht vorgenommen werden kann. Dabei ist eine außerordentlich große Vielfalt von Anpassungs-

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möglichkeiten an verschiedene Maschinentypen einfach dadurch gegeben, daß man beispielsweise die Fadenstärke, die Materialart oder das Verhältnis von Metallfaden zu Graphitfasern ohne zusätzliche Maßnahmen vorgeben kann. Es lassen sich so Stromübertragungsbürsten mit einer großen Stromdichte bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten der rotierenden Kontaktkörper und geringem Abrieb herstellen. Die hohe Stromleitung wird dabei durch die Metallfaden und die Elastizität durch die Graphitfasern gewährleistet.

Insbesondere werden Graphitfasern aus einem hochgraphitierten Graphit verwendet. Unter einem solchen Graphit ist dabei ein Graphitmaterial zu verstehen, das einen hohen prozentualen Anteil an kristallisiertem Graphit enthält. Dieses Material ist besonders für Bürsten geeignet, da es sehr gute Gleiteigenschaften auf metallischen Kontaktkörpern wie Schleifringen oder Kommutatoren hat.

Die verwendeten Graphitfasern haben vorteilhaft einen großen Elastizitätsmodul, der insbesondere größer

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2 χ 10 N/m ist. Derartige Fasern lassen sich verhältnismäßig leicht mit den Metallfäden verseilen, ohne daß dabei in ihnen Mikrorisse durch lokale Überdehnungen zu befürchten sind.

Die Gefahr solcher lokaler Überdehnungpn kann gemäß einer Weiterbildung der Stromübertragungsbürste nach der Erfindung insbesondere dann geringgehalten werden, wenn die Graphitfaserbündel als Kern vorgesehen sind, um den die Fäden aus dem elektrisch leitenden Material gewunden sind.

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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 schematisch eine Stromübertragungsbürste gemäß der Erfindung veranschaulicht 1st. Fig. 2 zeigt schematisch ein einzelnes Faserbündel dieser Bürste.

Die in Fig. 1 als Querschnitt dargestellte Bürste 2 ist mit einem in der Figur nicht näher ausgeführten feststehenden Maschinenteil einer elektrischen Maschine starr verbunden. Zur Stromübertragung zwischen diesem feststehenden Maschinenteil und einem in der Figur nur angedeuteten, um eine Achse rotierenden Maschinenteil 5 schleift die Bürste 2 mit ihrem Schleifkörper 6 auf der zylindrischen Außen- oder Lauffläche 8 eines mit dem rotierenden Maschinenteil 5 verbundenen Kontaktkörpers 9. Beispielsweise sei angenommen, daß die Lauffläche 8 die Kontaktfläche eines Kommutators 9 einer Kommutatormaschine ist. Die Lauffläche 8 kann aber auch die Kontaktfläche eines Schleifringes einer Gleich- oder Wechselstrommaschine sein.

Der Schleifkörper 6 der Bürste 2 enthält eine Vielzahl von Graphitfaserbündeln 11, von denen in Fig. 2 ein Bündel näher veranschaulicht ist. Gemäß der Darstellung nach Fig. 1 ist dabei die Bürste 2 bezüglich der Lauffläche 8 des mitrotierenden Kommutators 9 der Maschine so angeordnet, daß ihre Graphitfaserbündel 11 senkrecht auf dieser Lauffläche 8 stehen. Die dem rotierenden Maschinenteil 5 abgewandten Enden dieser Bündel sind durch ein Rahmenelement 12, beispielsweise einen Kupferrahmen, mechanisch zusammengehalten und so zu dem Schleif-

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körper 6 zusammengefaßt. Diese Enden lassen sich im allgemeinen schlecht mit einer Stromzu- oder -abführungsleitung durch Verlöten kontaktieren. Es ist deshalb vorgesehen, daß diese Enden mit einer mit der Stromzu- bzw. -abführungsleitung, beispielsweise einem Kupferseil 14, verbundenen Kontaktplatte 15 mittels einer Schicht 16 aus einem Leitkleber elektrisch leitend verbunden werden. Entsprechende Leitkleber sind beispielsweise Silberleitpasten, Epoxyleitkleber oder Silikonleitkleber, die elektrisch leitendes Material in fein gepulverter Form enthalten und durch eine thermische Behandlung oder auch bei Raumtemperatur ausgehärtet werden.

In Fig. 2 ist als Seitenansicht ein Teil eines Graphitfaserbündels JM_- der Stromübertragungsbürste gemäß der Erfindung näher veranschaulicht. Das Graphitfaserbündel ΛΛ_ stellt ein Tau aus einigen 100 bis einigen 1000, vorzugsweise höchstens 1000 einzelnen Graphitfasern dar, von denen in der Figur nur einiga tibertrieben stark ausgeführt und mit 18 bezeichnet sind. Jede Graphitfaser hat beispielsweise äinen Durchmesser, der unter 50 /um, vorzugsweise unier 10 /um liegt. Sie ist insbesondere eine sogenannte Hochmodulfaser mit einem großen Elastizitätsmodul, der vorzugsweise größer als 2 χ 10 N/i² ist. Das Graphitmaterial ist vorteilhaft ein ho-.h-graphitiertes Graphit. Dieses Material enthält einen hohen prozentualen Anteil an kristallisiertem Graphit und ist besonders für Piirstenschleifkontakte geeignet, da es sehr gute Gleiteigenschaften auf metallischen Kontaktkörpern wie Schleifringen oder Kommutatoren hat.

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ORIGINAL INSPECTED

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Das Graphitfasertau H stellt einen geraden Graphitkern dar, um den mit einer vorbestimmten Steigung Fäden aus einem elektrisch leitenden Material gewunden sind. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist angenommen, daß um das Graphitfasertau 11 zunächst eine vorbestimmte Anzahl von Metallfäden 20 rechtsherum gewunden sind und man anschließend um das so bewickelte Tau eine entsprechende Anzahl von Metallfäden 21 linksherum windet.

Auf diese Weise entsteht eine netzartige Struktur aus dem elektrisch leitenden Material auf der Außenfläche des Graphitfasertaus IJ_-. Bevorzugt wird eine Verseilung mit dem Graphitfasertau IJ_- &^ls langgestrecktem, geradem Kern, um den die Metallfäden 20 und 21 gewunden angeordnet sind. Man kann jedoch auch das Graphitfasertau .I_-I₁ selbst mit einer Steigung legen. Dabei werden zweckmäßig geringere Steigungen bevorzugt, um so Mikrorisse durch lokale Überdehnungen der Graphitfasern 18 zu vermeiden.

Die Metallfäden 20 und 21 sind aus elektrisch gut leitenden Materialien wie z.B. Kupfer, Silber oder Legierungen von Kupfer und Silber untereinander oder mit weiteren Komponenten mit einer Fadenstärke von unter 500 /um, vorzugsweise unter 100 /um. Die Auswahl der Kompoaenten der Legierungen kann dabei auch so vorgenommen werden, daß beispielsweise eine Korrosion von Silber oder Kupfer unter bestimmten äußeren Bedingungen verhindert wird. Darüber hinaus können auch Metallfaden mit Korrosionsschutzschichten vorgesehen werden. Anstelle einer Legie-nung lassen sieh auch Mantelleiter verwenden, die z.B. einen Kupfer-Kern und einen Silber-Mantel haben. Ein solcher Mantelleiter kann auch einen Kern oder entsprechend einen Mantel aus einem Material enthalten,

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das zusätzlich zum Graphit.'die Gleitung zwischen der Bürste 2 und der rotierenden Lauffläche 8 verbessert oder den Abriet» mindert. Das Schmierstoffmaterial läßt, sich so vorteilhaft im Zuge des Abriebs kontinuierlich zuführen. Dies ist besonders von Vorteil unter sehr trockenen klimatischen Bedingungen, unter denen Graphit bekanntlich an Schmier fähigkeit erheblich einbüßt und stärker abreibt.

Bei der Bürste nach der Erfindung ist in weiten Grenzen die Wahl der Metallfadenstärke, des Verhältnisses von Metallfadenzahl zu der Zahl der Graphitfasern eines Graphitfaserbündels sowie der Art der Verseilung wie beispielsweise geänderte Steigungswinkel oder mehrlagige gegenläufige Verseilung frei. Außerdem kann man auch Graphitfaserbündel vorsehen, die mit einer unterschiedlichen Anzahl von Metallfäden oder mit Fäden aus verschiedenen Materialien verseilt sind. Aufgrund dieser Variationsmöglichkeiten läßt sich die Bürste nach der Erfindung durch nur geringfügige Änderungen in der Herstellungstechnik an die Besonderheiten einer bestimmten Type einer elektrischen Maschine optimal anpassen, und zwar sowohl in ihren elektrischen als auch mechanischen Eigenschaften. Auf diese Weise können z.B. auch lokal unterschiedliche Stromdichten innerhalb des Schleifkörpers 6 bewußt in einfacher Weise eingestellt werden. So kann man z.B. auch an der ab- und anlaufenden Bürstenkante unbewickelte oder dünn mit weniger gut leitendem Material bewickelte und damit höherohmige Graphitfaserbündel vorsehen. Besonders für die Anwendung als Kommutatorbürste kann es vorteilhaft sein, Metallfäden aus hochschmelzendem Material mit bei höheren Temperaturen niedrigem Dampfdruck vorzusehen, um so beispielsweise an der ablaufenden Bürstenkante eine Funkenbildung zu

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erschweren und weniger Bürstenmaterial zu übertragen.

Durch die Verseilung der Graphitfasertaue JM_- mit dem elektrisch leitenden Material der Metallfäden 20 und 21 entsteht eine Art Verbundbürste, wobei die elektrisch leitenden Teile der Bürste für eine besonders gute Stromführung mit geringem Widerstand und die Graphitteile der Bürste als Trägermaterial für diese elektrisch leitenden Metallfäden 20, 21 sowie als Schmiermittel dienen. Die in der Kontaktfläche bei Betrieb der Maschine erzeugte Wärme kann schnell entlang der Metallfäden in Richtung des Bürstenrahmens 12 abgeführt werden, so daß die Kontakttemperatur entsprechend niedrig gehalten wird, insbesondere auch bei Belastungen, die mehrfach höher sind als die Grenzbelastungen der bisher verwendeten Bürsten. Außerdem läßt sich die elektrische Belastung der Bürste, z.B. ihre Stromdichte, selbst bei Geschwindigkeiten von 80 m/sec auf ein Mehrfaches der Grenzbelastung der bisher verwendeten Bürsten steigern. Es ist deshalb ein bevorzugter Einsatz der Bürste nach der Erfindung bei Grenzleistungsturbogeneratoren möglich.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält eine Stromübertragungsbürste nach der Erfindung 1480 Graphitfasertaue mit jeweils 2500 Fasern, Die Faserstärke beträgt etwa 7 bis 8 /um. Als Fasern sind handelsübliche Graphitfasern vorgesehen (Firma Sigri Electrographit GmbH, D-8901 Meitingen: Sigrafil HM). Jedes dieser Graphitfasertaue ist mit 16 Silber-Drähten verseilt, deren Durchmesser 38 bis 42 /um beträgt. Dabei sind 8 Silber-Drähte rechtsherum und 8 Silberdrähte linksjierum um das Graphitfasertau gewickelt. Die Graphitfasertaue sind in einem Kupfer-

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rahmen mit quadratischer Innenöffnung von 2 χ 2 cm gehalten und mittels einer Silberleitpaste elektrisch an ein Kupferseil angeschlossen. Als Kontaktkörper eines rotierenden Maschinenteils ist ein Schleifring aus Stahl mit einer galvanisch aufgebrachten Silberschicht vorgesehen, der sich mit einer Umlaufgeschwindigkeit von 63 m/sec unter der Bürste hinwegdreht. Es ergibt sich dann z.B. bei einer Stromdichte von 30 A/cm über der gesamten Bürste einschließlich der Kontaktzone bei Minus-Polung ein Spannungsabfall ΔU von etwa 0,3 V.

16 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

( 1. IStromübertragungsbürste mit einer Vielzahl zu einem Schleifkörper zusammengefaßter, sich zumindest annähernd senkrecht zur Kontaktfläche der Bürste erstreckender Fasern aus Graphit und mit Teilen aus elektrisch leitendem Material, gekennzeichnet durch einen Schleifkörper (6) mit Graphitfaserbündeln (11), die jeweils mit Fäden (20, 21) aus dem elektrisch leitenden Material verseilt sind.
2. Stromübertragungsbürste nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Graphitfasern (18) aus einem hoch-graphitierten Graphit.
3. Stromübertragungsbürste nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Graphitfasern (18) mit einem großen Elastizitätsmodul.
4. Stromübertragungsbürste nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Graphitfasern (18) mit einem Elastizitätsmodul größer 2 χ 10¹¹ N/m².
5. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Graphitfaserbündel (Vi) als Kern, um den die Fäden (20, 21) aus dem elektrisch leitenden Material gewunden sind (Fig. 2).
6. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Graphitfaserbündel (11) mit jeweils mindestens 100 und höchstens 5000, vorzugsweise höchstens 1000 Graphitfasern (18) mit einem Faserdurchmesser unter 50 /um, vorzugsweise unter 10 /um.

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7. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 6, gekennzeichnet durch Fäden (20, 21) aus Kupfer oder Silber oder einer zwei- oder mehrkomponentigen Legierung mit mindestens einem dieser Materialien.
8. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 7, gekennzeichnet durch Fäden (20, 21) aus dem elektrisch leitenden Material mit einer Fadenstärke unter 500 /um, vorzugsweise unter 100 /um.
9. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 8, gekennzeichnet durch einen Schleifkörper (6), der mit Fäden (20, 21) aus dem elektrisch leitenden Material verseilte Graphitfaserbündel (11) und jraphitfaserbündel ohne entsprechende Verseilung enthält.
10. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 9, gekennzeichnet durch einen Schleifkörper (6) mit Graphitfaserbündeln (11) mit unterschiedlicher Anzahl an Graphitfasern (18).
11. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 10, gekennzeichnet durch einen Schleifkörper (6) mit Graphitfaserbündeln (11) mit einer unterschiedlichen Anzahl der mit ihnen verseilten Fäden (20, 21) aus dem elektrisch leitenden Material.
12. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 11, gekennzeichnet durch Graphitfaserbündel (11), die mit Fäden aus verschiedenen elektrisch leitenden Materialien verseilt sind.

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13. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 12, gekennzeichnet durch Fäden aus dem elektrisch leitenden Material, die mit einer Schicht aus einem weiteren Material umhüllt sind.
14. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 13, gekennzeichnet durch Fäden, die ein reibungsminderndes Material enthalten.
15. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 14, gekennzeichnet durch Fäden, die ein schwer schmelzbares Material enthalten.
16. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 15, gekennzeichnet durch eine Kontaktierung der Metallfaden (20, 21) aus dem elektrisch leitenden Material mit einer Stromzu- oder -abführungsleitung (14, 15) mittels eines Leitklebers (16).

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