DE2817371A1

DE2817371A1 - Stromuebertragungsbuerste

Info

Publication number: DE2817371A1
Application number: DE19782817371
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl Phys Dr Diepers
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: FR2423891B1; DE2817371C2; GB2019661A; US4314172A; GB2019661B; FR2423891A1; JPS54142506A

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 7 5 O 9 BRD

Stromübertragungsbürste

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromübertragungsbürste mit mehreren zu einem Schleifkörper zusammengefaßten, sich zumindest annähernd senkrecht zur Kontaktfläche der Bürste erstreckenden Teilen aus Graphit.

Die in elektrischen Maschinen verwendeten Bürsten dienen zur Stromübertragung zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Maschinenteil und bestehen im allgemeinen aus Elektrograpb.it, Naturgraphit oder einer Mischung aus einem Metall und Graphit. Mit der Verwendung von Graphitteilen werden nämlich 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 Lauf-

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eigenschaften einer solchen Bürste sind hauptsächlich durch den Reibwert /U als Funktion der Umfangsgeschwindigkeit des mit dem rotierenden Maschinenteil verbundenen Kontaktkörpers und durch den Spannungsabfall Δϋ 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 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.

Es hat sich nun gezeigt, daß sich bei Gleichstrommaschinen mit solchen Graphitbürsten bei Dauerbetrieb eine maximale Stromdichte oder Strombelastbarkeit bis etwa 12 A/cm erreichen läßt. Dabei werden Bürsten, die als Schleifkörper einen Sinterkörper aus Graphit und Metall enthalten, im allgemeinen für Umfangsgeschwindigkeiten der rotierenden Schleifringe bis etwa 25 m/sec vorgesehen, während Bürsten aus Elektrographit für Umfangsgeschwindigkeiten bis etwa 40 m/sec und Bürsten aus Naturgraphit bis etwa 80 m/sec geeignet sind. Die Höchstgeschwindigkeit von 80 m/sec wird im allgemeinen nur bei großen Turbogeneratoren erreicht. Hingegen werden

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für Kommutatormaschinen hauptsächlich Bürsten aus Elektrographit verwendet. Die maximale Strombelastbarkeit dieser Bürsten beträgt etwa 30 A/cm bei Umfangsgeschwindigkeiten der Kommutatoren bis 45 m/sec.

Diese Bürsten können als Schleifkörper einen einzigen Graphitkörper bzw. Sinterkörper aus Graphit und Metall enthalten. Es sind darüber hinaus auch Bürsten bekannt, deren Schleifkörper aus zwei oder mehreren etwa gleich breiten Schichten desselben Bürstenmaterials zusammengesetzt, beispielsweise geklebt sind.

Da die rotierenden Schleifringe oder Kommutatoren solcher Maschinen nie ideal rund ausgeführt werden können, treten bei steigenden Umfangsgeschwindigkeiten zusätzliche Kontaktwiderstände auf. Diese sind insbesondere darauf zurückzuführen, daß nicht alle Teile der Kontaktfläche des Schleifkörpers der Bürste gleichmäßig an dem Schleifring bzw. Kommutator anliegen. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, muß im allgemeinen ein verhältnismäßig hoher Bürstendruck auf die rotierende Kontaktfläche vorgesehen werden, der zu einer unerwünschten Erhöhung des Reibwertes /u der Bürste und zu einem entsprechend höheren Verschleiß führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Stromübertragungsbürste zu schaffen, bei der diese Schwierigkeiten nicht oder nur in unwesentlichem Maße auftreten. Insbesondere soll diese Bürste einen verhältnismäßig geringen Bürstendruck auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten erlauben und dennoch einen verhältnismäßig kleinen Kontaktwiderstand haben. Darüber hinaus soll diese Bürste für alle Maschinen-

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typen, d.h. für Schleifringe und Kommutatoren vorgesehen werden können.

Diese Aufgabe wird für eine Stromübertragungsbürste der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ihr Schleifkörper eine Stapelanordnung aus Folien aus einem hoch-graphitierten Graphit enthält.

Unter einem hoch-graphitierten 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 Vorteile dieser Gestaltung der Stromübertragungsbürste bestehen ferner darin, daß die senkrecht zur Kontaktfläche der elektrischen Maschine angeordneten Graphitfolien verhältnismäßig flexibel sind und sich in Verbindung mit dem lamellenförmigen Aufbau eine höhere Dichte von Kontaktpunkten in der Kontaktfläche erreichen läßt. Durch die Flexibilität der Folien und die Lamellenstruktur werden nämlich die Laufeigenschaften der Bürste verbessert. Obwohl durch die Laufunruhe des rotierenden Maschinenteils, die nie vollkommen vermeidbar ist, der momentane Bürstenandruck variiert, wird dennoch infolge der Flexibilität ein verhältnismäßig konstanter Übergangswiderstand zwischen dem rotierenden Kontaktkörper und der Kontaktbürste gewährleistet.

Außerdem wird mit der Stapelanordnung aus den Graphitfolien eine bessere Kühlung des Schleifkörpers im

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Vergleich zu einem Schleifkörper mit einem Elektrographitblock erreicht. Eine besonders gute Kühlung durch den Fahrtwind ergibt sich in dem Fall, daß die Folienebenen senkrecht zur Rotationsachse des Kontaktkörpers angeordnet sind.

Darüber hinaus weist der Schleifkörper einen stark anisotropen Aufbau auf; seine elektrische und thermische Leitfähigkeit sind nämlich in der Folienebene, d.h. in Stromübertragungsrichtung wesentlich höher als senkrecht dazu. Eine solche Stromübertragungsbürste ist insbesondere als Kommutatorbürste geeignet. Sie beeinflußt die Kommutierung sowohl elektrisch wie auch mechanisch, da bekanntlich der Übergangswiderstand, die Festigkeit des Widerstandes gegen hohe Stromdichten und die Zahl der Kontaktpunkte einen großen Einfluß auf die Güte der Kommutierung der Maschine haben. Die mechanischen Laufeigenschaften beeinflussen bekanntlich die Kommutierungszeit, und zwar wird diese Zeit in nicht reproduzierbarer Weise verkürzt. Es kann nämlich trotz einwandfreier mechanischer Verhältnisse zu Funkenbildung kommen, wenn die Bürste bei hoher Längsstrombelastbarkeit in der -Folienebene nicht den erforderlichen Übergangswiderstand im Kurzschlußkreis der kommutierenden Spule liefert. Mit der vorgeschlagenen Gestaltung der Stromübertragungsbürste nach der Erfindung wird diese Schwierigkeit dadurch umgangen, daß zu dem Übergangswiderstand in Stromflußrichtung durch den lameliierten Schleifkörper noch weitere Widerstände in den Kommutierungskreis dadurch eingeschaltet sind, daß die Übergangswiderstände zwischen benachbarten Graphitfolien hinzukommen. Ferner erhält man gemäß einer Weiterbildung der Stromübertragungsbürste

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eine weitere Erhöhung des Widerstandes in dem Kommutierungskreis dadurch, daß Graphitfolien mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit in Stromübertragungsrichtung als in zur Folienebene senkrechter Richtung verwendet werden.

Außerdem kann vorteilhaft bei der Stromübertragungsbürste nach der Erfindung mindestens eine der beiden Flachseiten zumindest einiger der Graphitfolien mit einer Schicht aus einem elektrisch leitenden Material versehen sein. Der Schleifkörper ist dann in Richtung des Stromflusses, also parallel zu der Folienebene besonders niederohmig, so daß sein Spannungsabfall entsprechend gering ist. Außerdem kann mit dieser Maßnahmen auch die Wärmeableitung aus dem Kontaktbereich unterstützt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildüngen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur schematisch ein Querschnitt durch eine Stromübertragungsbürste gemäß der Erfindung veranschaulicht ist.

Die in der Figur dargestellte Bürste 2 ist starr mit einem in der Figur nicht ausgeführten feststehenden Maschinenteil einer elektrischen Maschine verbunden. Zur Stromübertragung zwischen diesem feststehenden Maschinenteil und einem in der Figur nur angedeuteten, um eine Achse 4 rotierenden Maschinenteil 5 schleift die Bürste 2 mit ihrem Schleifkörper 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 des Kommutators 9

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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 gemäß der Erfindung eine Stapelanordnung aus einer Vielzahl von Graphitfolien 11, deren dem rotierenden Maschinenteil 5 abgewandten Enden durch ein Rahmenelement 12, beispielsweise einen Kupferrahmen, mechanisch zusammengehalten werden. Als Graphitfolien 11 können handelsübliche Folien mit hohem Graphitkristallisationsgrad verwendet werden (beispielsweise Firma Sigri Elektrographit GmbH, D-8901 Meitingen: Sigraflex). Derartige Folien werden durch thermisches Zersetzen von Graphiteinlagerungsverbindungen hergestellt. Die dabei anfallenden Graphitflocken werden durch Verpressen oder Walzen ohne Zusatz von Füll- oder Bindemitteln zu Folien verarbeitet. Die Dicke der für die Bürste 2 verwendeten Graphitfolien 11 liegt vorteilhaft unter einem Millimeter, insbesondere unter 200 /um. Das Folienmaterial ist dabei vorteilhaft stark anisotrop. So ergeben sich beispielsweise bei einer Rohdichte des Graphitmaterials von 1 g/cm^ und bei einer Temperatur von 20⁰C in Längsrichtung der Folie ein spezifischer elektrischer Widerstand von 1000 /U Λ · cm und eine Wärmeleitfähigkeit von 220 W/mK, während senkrecht dazu die entsprechenden Werte bei 65000 ,η Ω. · cm bzw. 7 W/mK liegen.

Die Bürste 2 ist bezüglich der Lauffläche 8 des mitrotierenden Kommutators 9 der Maschine so angeordnet, daß ihre Folien 11 senkrecht auf dieser Lauffläche 8 stehen. Darüber hinaus liegen vorteilhaft im Fall der angenommenen Kommutatormaschine die Flachseiten dieser Graphitfolien 11 in Ebenen,

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die von der Rotationsachse 4 des rotierenden Maschinenteiles orthogonal durchsetzt werden. Mit dieser Anordnung der Graphitfolien 11 wird nämlich trotz der Flexibilität des Schleifkörpers 6 ein zu starkes Verbiegen der einzelnen Folien in Umlaufsrichtung vermieden und eine annähernd konstante Abmessung des Schleifkörpers 6 in Bezug auf die Abmessungen der von ihm erfaßten Kommutatorsegmente gewährleistet. Im Fall von Gleich- oder Wechselstrommaschinen mit Schleifringen als mitrotierenden Kontaktkörpern kann die Bürste auch so angeordnet sein, daß ihre Graphitfolien 11 in zur Rotationsachse 4 parallelen Ebenen liegen.

Jede der Graphitfolien 11 ist einseitig mit einer Schicht 14 aus einem leitenden Metall, beispielsweise Kupfer, Silber oder einer zwei- oder mehrkomponentigen Legierung überzogen. Vorzugsweise wird eine Silberschicht vorgesehen. Das Aufbringen dieser Schicht kann nach den bekannten Dünnschichtverfahren wie z.B. durch Elektroplattieren, chemisch stromlosem Plattieren, Plasma- oder Ionenplattieren, durch Sputtern oder Aufdampfen erfolgen. Bevorzugt wird eine Aufdampftechnik, da hierdurch eine gute Haftung des Schiehtmaterials auf dem Graphitmaterial erreicht wird. In jedem Fall ist bei dem Beschichtungsverfahren ■eine starke Erwärmung der Graphitfolie von über 100⁰C während des BeSchichtungsvorganges zu vermeiden, da die Folie sonst zu stark ausgast und sich deshalb die Haftung des elektrisch leitenden Materials verschlechtert.

Die Dicke der aufgebrachten Schicht kann beispielsweise zwischen 0,1 /um und 500 /um, vorzugsweise zwischen 1 yum und 50 ^um liegen. Wie in der Figur ferner ange-

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deutet ist, sind die Schichten 14 aus dem elektrisch leitenden Material zusätzlich von einer dünnen Schicht 15 abgedeckt, die insbesondere als Korrosionsschutz für das Material der Schicht 14 dient und beispielsweise aus Kobalt, Chrom oder Nickel besteht. Durch eine solche Schicht 15 kann unter anderem eine Silberschicht gegenüber Schwefel-Einflüssen aus der Atmosphäre abgeschirmt werden.

Derartige zu einem Stapel zusammengefaßte und mit einem elektrisch leitenden Material beschichtete Graphitfolien 11 lassen sich an ihren in dem Kupferrahmen 12 liegenden Enden schlecht mit einer Stromzu- oder -abführungsleitung verlöten. Dies ist insbesondere auch darauf zurückzuführen, daß infolge der vorteilhaften Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit des Schleifkörpers 6_t d.h. seines Querwiderstandes, jede Folie einzeln kontaktiert werden muß. Es ist deshalb vorgesehen, daß diese Enden mit einer mit der Stromzuführungs- bzw. -abführungsleitung, beispielsweise einem Kupferseil 17, verbundenen Kontaktplatte 18 mittels einer Schicht 19 aus einem Leitkleber elektrisch leitend verbunden werden. Entsprechende Leitkleber sind beispielsweise Silberleitpasten, Epoxyleitkleber oder Silikonleitkleber, die elektrisch leitendes Material fein gepulvert enthalten und durch eine thermische Behandlung oder auch bei Raumtemperatur ausgehärtet werden. Dabei muß bei Kommutatoranwendungen die Leitfähigkeit des Klebers so ausgewählt und die Schichtdicke so dünn ausgeführt werden, daß der hohe Querwiderstand des Schleifkörpers nicht wesentlich überbrückt wird. Entsprechendes gilt auch für die Auswahl · des Materials für die Kontaktplatte 18 und deren geometrische Abmessungen.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Figur ist eine einseitige Beschichtung der Graphitfolien 11 vor-

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gesehen. Die Beschichtung kann Jedoch auch beidseitig erfolgen, wobei auch eine unterschiedliche Schichtdicke und gegebenenfalls auch unterschiedliche Materialien auf den beiden Flachseiten jeder Graphitfolie 11 aufgebracht werden können.

Durch die Beschichtung der Graphitfolien 11 mit einem elektrisch leitenden Material 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 die elektrisch leitenden Schichten 14 sowie als Schmiermittel dienen.

Der Schleifkörper 6 der Bürste 2_ ist in Richtung des Stromflusses, also parallel zu den Folienebenen verhältnismäßig niederohmig, im Falle einer zusätzlichen Metallbeschichtung der Folien sehr niederohmig. Die in der Kontaktfläche erzeugte Wärme kann schnell entlang der Folien in Richtung des Bürstenrahmens 12, 18 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 bei Grenzleistungsturbogeneratoren möglich.

Durch eine geeignete Wahl der Dicke und der Roh.-dichte der Folien, der Dicke der auf ihnen aufgebrachten Metallschichten sowie der Packungs- oder

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Stapeldichte kann die Bürste gemäß der Erfindung an unterschiedlichen Maschinentypen optimal angepaßt werden, ohne daß dadurch die Herstellung der Bürsten jeweils nennenswert geändert werden müßte. Darüber hinaus kann durch Verwendung von beschichteten und unbeschichteten Folien oder unterschiedlich stark beschichteten Folien in einer Bürste und in einer bestimmten Anordnung eine lokal unterschiedliche Stromdichte eingestellt werden, indem man z.B. an der ab- und anlaufenden Bürstenkante unbeschichtete oder dünn mit weniger gut leitendem Material beschichtete und damit höherohmige Folien vorteilhaft verwendet.

Besonders für die Anwendung als Kommutatorbürste kann es vorteilhaft sein, Schichten aus hochschmelzendem Material mit bei höheren Temperaturen niedrigem Dampfdruck zu verwenden, um so an der ablaufenden Bürstenkante eine Funkenbildung zu erschweren und weniger Bürstenmaterial zu übertragen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält eine Stromübertragungsbürste nach der Erfindung 115 Graphitfolien, die Jeweils 150 /um dick , etwa 5 cm lang und 2 cm breit sind. Als Folienmaterial sind handelsübliche Graphitfolien vorgesehen (Firma Sigri: Sigraflex-F). Das Folienmaterial weist eine starke Anisotropie in seiner thermischen und elektrischen Leitfähigkeit auf. Jede dieser Graphitfolien ist beidseitig mit einer 5 /um dicken Silberschicht versehen. Die zu einem Stapel zusammengefaßten Graphitfolien sind in einem Kupferrahmen mit quadratischer Innenöffnung von 2 χ 2 cm gehalten und mittels einer Silberleitpaste elektrisch an ein Kupferseil angeschlossen. Als Kontaktkörper

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eines rotierenden Maschinenteils ist ein Schleifring aus Chrom-Nickel-Stahl vorgesehen, der sich mit einer Umlaufgeschwindigkeit von 46 m/sec unter der Bürste hinwegdreht. Für diese Bürste ergibt sich dann eine Stromtragfähigkeit von 90 A/cm , wobei ein Reibwert /U kleiner 0,1 eingehalten wird. Dabei stellt sich über der gesamten Bürste einschließlich der Kontaktzone bei Plus-Polung ein Spannungsabfall Δυ von etwa 1,05 V und bei Minus-Polung von etwa 1,2 V ein.

Im Ausführungsbeispiel und in der Figur ist davon ausgegangen, daß mit der Bürste gemäß der Erfindung ein Strom zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Maschinenteil übertragen wird. Die Verwendung der Bürste ist jedoch nicht auf zylindrische Kontaktflächen 8 beschränkt. Ebensogut kann die Bürste gemäß der Erfindung auch für den Einsatz an ortsfesten, langgestreckten Stromschienen vorgesehen sein.

14 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

Patentansprüche

J Stromübertragungsbürste mit mehreren zu einem schleifkörper zusammengefaßten, sich zumindest annähernd senkrecht zur Kontaktfläche der Bürste erstreckenden Teilen aus Graphit, gekennzeichnet durch einen Schleifkörper (6) mit einer Stapelanordnung aus Folien (11) aus einem hoch-graphitierten Graphit. 10
2. Stromübertragungsbürste nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Graphitfolien (11) mit einer höheren elektrischen und thermischen Leitfähigkeit in Stromübertragungsrichtung als in zur Folienebene senkrechter Richtung.
3. Stromübertragungsbürste nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Dicke der Graphitfolien (11) unter 1 mm, vorzugsweise unter 200 /um.
4. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeich net durch Graphitfolien (11) unterschiedlicher Dicke.
5. Stromübertragungsbürste mit Teilen aus elektrisch leitendem Material ,nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Flachseiten zumindest einiger der Graphitfolien (11) mit einer Schicht (14) aus einem elektrisch leitenden Material versehen ist.
6. Stromübertragungsbürste nach Anspruch 5, g e kennzeichnet durch eine Schicht (14)

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aus Kupfer oder Silber oder einer zwei- oder mehrkomponentigen Legierung mit mindestens einem dieser Materialien.
7. Stromübertragungsbürste nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Dicke der Schichten (14) des auf den Graphitfolien (11) aufgebrachten elektrisch leitenden Materials zwischen 0,1 /um und 500 /um, vorzugsweise zwischen 1 /um und 50 /um.
8. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 7, gekennzeichnet durch eine unterschiedliche Dicke der Schichten (14) des auf den Graphitfolien (11) aufgebrachten elektrisch leitenden Materials.
9. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche bis 8, gekennzeichnet durch Graphitfolien (11), deren beide Flachseiten mit verschiedenen elektrisch leitenden Materialien beschichtet sind.
10. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch eine Schutzschicht (15) auf den Schichten (14) aus dem elektrisch leitenden Material.
11. Stromübertragungsbürste nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Schutzschicht

(15) aus Kobalt, Nickel oder Chrom.
12. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche

5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Graphitfolien (11) mit einer Schicht aus einem hoohschmelzenden Material versehen sind.

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13. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die auf dem Kontaktkörper einer Maschine schleift, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachseiten der Graphitfolien (11) in Ebenen angeordnet sind, die orthogonal von der Rotationsachse (4) des Kontaktkörpers (9) durchsetzt sind.
14. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche 5 bis 13, gekennzeichnet durch eine Kontaktierung der beschichteten Graphitfolien (11) mit einer Stromzu- oder -abführungsIeItung (17, 18) mittels eines Leitklebers (19).

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