DE2841242A1

DE2841242A1 - Buerstenanordnung fuer dynamoelektrische maschinen

Info

Publication number: DE2841242A1
Application number: DE19782841242
Authority: DE
Inventors: John L Johnson; Lawrence E Moberly
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-09-30
Filing date: 1978-09-22
Publication date: 1979-04-12
Also published as: FR2404938B1; CH642788A5; IT7841648A0; IT1104085B; NL7809770A; GB2005483A; SE7810235L; ES473791A1; FR2404938A1; JPS5457604A; CA1123881A

Description

•Die Erfindung betrifft Anordnungen zur Aufnahme und übertragung von elektrischem Strom zwischen sich zueinander bewegenden Teilen, wie beispielsweise bei einer dynamoelektrischen Maschine,

Die Verwendung von festen Bürsten zur Stromabnahme oder zur übertragung von Strom bei Anordnungen, die gegeneinander sich bewegende Teile umfassen, wie beispielsweise Motoren oder Generatoren, hat sich als zuverlässig und ausreichend wirkungsvoll für viele kommerzielle und industrielle Anwendungen erwiesen. Mit der Entwicklung von verbesserten elektrischen Maschinenkonstruktionen, insbesondere solchen, die supraleitende Erregerspulen aufweisen oder von homopolaren Maschinen mit hohen Nennwerten ergab sich jedoch die Notwendigkeit von verbesserten Anordnungen, die in der Lage sind, den Maschinenstrom wirkungsvoller abzunehmen und zu übertragen. Diese Notwendigkeit beruht hauptsächlich darauf, daß viel größere elektrische Ströme und Geschwindigkeiten erforderlich sind, um größere Leistung zu erzeugen oder höhere Drehmomente zu übertragen, als es bisher möglich war.

909815/0749

284124

Gegenwärte Konstruktionen von festen Burstenstromkollektoren arbeiten mit Gleitringen oder mit Kommutatoranordnungen, die

2
Stromdichten bis zu etwa 10 A/cm angemessen verarbeiten können, wobei Lebensdauerwerte von 0,5 bis 2 Jahren für die Bürsten typisch sind.

Diese Stromdichten beziehen sich auf Maschinen, die bei Umgebungsluft sowie mit herkömmlichen Geschwindigkeiten arbeiten, jedoch ist es bekannt, daß die Bürstenlebensdauer vervierfacht werden

2 kann, indem Kohlebürsten bei Stromdichten von etwa 10 A/cm in einer Atmosphäre aus inertem Gas betrieben werden, wie beispielsweise in der Wasserstoffatmosphäre, die bei großen Synchronkondensatoren verwendet werden.

Obwohl der Mechanismus bzw. das Phänomen, das mit der Stromübertragung über gleitende Oberflächen verbunden ist, bisher nicht genau verstanden wird, ist doch bekannt, daß der Grenzflächenwiderstand (elektrische Basis) sowie die Reibung (mechanische Basis) zwischen einem Schleifring oder einem Kommutatorsteg und den Bürsten sowie auch die Abnutzungsrate zwischen den sich berührenden Gliedern stark beeinflußt werden von der Art und von der Reaktivität der gasförmigen Atmosphäre, in der diese Teile arbeiten, wie auch von der Temperatur, bei der die Kontaktglieder arbeiten, insbesondere an deren Grenzfläche, außerdem von den Eigenschaften der sich berührenden Materialien.

Hinsichtlich des Betriebs in einer gasförmigen Atmosphäre ist es bekannt, daß ein nicht vermeidbarer Metalloxidfilm auf Kollektoroberflächen während des Bürstenbetriebs in atmosphärischer Luft abgelagert wird. Diese spröden Oxidfilme sind bestenfalls halbleitend, mechanisch hart und abrieberzeugend, wenn sie während des normalen Gleitbetriebes abgerissen werden. Aus diesem Grunde führen sie zu verhältnismäßig hohen unstabilen Kontaktspannungsabfällen und verhindern, daß eine optimal niedrige Bürstenreibung und Bürstenabnutzung erhalten wird.

909815/0749

-s- 284124?

Die Ablagerung derartiger Filme auf den Kollektoroberflächen kann dadurch verringert werden, daß das System in einer inerten Gasatmosphäre statt in Luft betrieben wird. Diese sauerstofffreien Umgebungen, die auch Kohlendioxid, Schwefelhexafluorid und Wasserstoff umfassen können, bewirken, daß die Kohlebürstenlebensdauer wirksam erhöht und die Kontaktspannungsabfälle erniedrigt werden, da die isolierenden und abrieberzeugenden harten Anlauffilme vermieden werden. Jedoch besteht gegenwärtig das Bedürfnis nach Bürsten für hohe Stromdichten, während die oben genannten Gasumgebungen bekanntermaßen gute Ergebnisse nur bei den gegenwärtig benutzten Stromdichten liefern, d. h. bei Strom-

dichten von etwa 10 A/cm . Auch hinsichtlich des Umgebungsfaktors, hinsichtlich des Druckes und der Zusammensetzung des Umgebungsgases, einschließlich Zusätzen wie Wasserdampf, tragen zur Verringerung von Bürstenreibung und Abnutzung bei. Hohe Reibung und sehr hohe Abnutzung (Stauben) treten auf, wenn aneinander gleitende Kontaktpaare im Vakuum oder in trockenen Gasumgebungen arbeiten, wie beispielsweise in großen Höhen.

Die Temperatur an der Bürsten-Schleifring-Grenzfläche beeinflußt auch direkt die Bürstenlebensdauer, da bei bestimmten Temperaturen für unterschiedliche Kohlebürstenmaterialien ein Stauben auftreten wird. Es scheint, daß die Desorption von Feuchtigkeit weg von den Kontaktoberflächen für jeden Feuchtigkeitszustand übermäßig groß wird, wenn die kritische Temperatur erreicht wird, und daß dieser Zustand bei Anwendungen mit hohen Stromdichten beseitigt werden muß.

Offensichtlich besteht daher die Notwendigkeit von verbesserten Stromkollektoranordnungen, die mit größeren Lebensdauerwerten arbeiten und gleichzeitig Ströme durch die Bürsten übertragen können, die größenordnungsmäßig 10 bis 15mal größer sind, als es mit gegenwärtigen Konstruktionen möglich ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige Bürstenanordnung für dynamoelektrische Maschinen zu schaffen.

909815/0749

Erfindungsgemäß wir die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, also durch eine feste Bürstenstromkollektoranordnung für eine dynamoelektrische Maschine, die einen Stator und einen darin gehaltenen Rotor aufweist, der so angeordnet ist, daß sich ein elektrodynamischer Betrieb ergibt, wobei auf dem Rotor sich zumindest ein Stromkollektor befindet, der während des Maschinenbetriebs Strom aufnimmt. Auf der Maschine sind in Bürstenhaltern feste Stromaufnahmebürsten montiert, wobei die Bürstenhalter so positioniert sind, daß sich ein Bürstenkontakt mit dem Stromkollektor ergibt. Des weiteren sind Einrichtungen vorgesehen, die den Stromkollektor und die Bürsten in einer im wesentlichen flüssigkeitsdichten, gegenüber der Atmosphäre abgeschlossenen Höhlung umschließen. Des weiteren sind Einrichtungen vorgesehen, um ein unter Druck stehendes Gas durch die Höhlung hindurch zu führen, wobei dem Gas ein Zusatz hinzugefügt ist, der aus einer dampfförmigen organischen Substanz besteht, die einen Spannungsabfall an den Bürsten von nicht mehr als 0,2 V sowie eine Bürstenabnutzungsrate von nicht mehr als 20 mm Abrieb pro Megameter Schleifringweg ergibt, wenn der Schleifring bei einer Temperatur betrieben wird, die gerade unterhalb der kritischen Bürstenmassentemperatur liegt.

Das feste Bürstenstromkollektorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt selektiv kompatible Materialien bei unterschiedlichen Anwendungen für die beweglichen und stationären Kontaktglieder. Die Materialien werden jeweils unterschiedlich gewählt, je nachdem, ob die Anwendung eine Kommutierung erfordert, wie bei heteropolaren Maschinen, oder lediglich eine Stromübertragung, wie bei homopolaren Maschinen. Diese Kontaktglieder werden in einer atmosphärischen Umgebung betrieben, die nichtoxidierende Gase benutzt, beispielsweise Kohlendioxid, wobei diese Umgebung die dampfförmige organische Substanz besitzt, um das Kollektorsystem bei höheren Temperaturen, höheren Stromdichten und höheren Geschwindigkeiten betreiben zu können, als es mit herkömmlichen Systemen möglich ist. Um Strom in lichtbogenfreier Weise zu übertragen, unterliegt das feste Bürstenkollektorsystem einer erzwungenen Kontaktkühlung, um die Temperatur an der Grenzfläche

909815/0749

der sich berührenden Glieder auf verhältnismäßig niedrigen
Werten zu halten und so eine niedrige Reibung und niedrige Abnutzungsraten der aufeinander gleitenden Kontaktglieder zu erhalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigt:

Fig. 1 oine teilweise geschnittene Seitenansicht zur allgemeinen Erläuterung eines festen Bürstenstromkollektorsystems;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Stromkollektorsystems
der Fig. 1;

Fig. 3 eine Anordnung, die benutzt wird, um die Bürsten

dadurch wirksam zu kühlen, daß Wärme durch Wärmeleitung von einem Bürstenhalter zu einem Wärmeaustauscher
auf der Bürstenhalteroberfläche abgeführt wird;

Fig. 4 Kurven zur Darstellung der Elektrographitbürsten-Volumenabnutzung in Luft oder Kohlendioxid;

Fig. 5 Kurven zur Darstellung der durchschnittlichen mechanischen und elektrischen Bürstenringenergxeverluste;

Fig. 6 Kurven zur Darstellung der Bürstenabnutzungseigenschaften für Bürsten aus Silbergraphit, Kupfergraphit und Graphit;

Fig. 7 Kurven zur Darstellung des Einflusses von Dampfzusätzen auf den Bürstenspannungsabfall; und

Fig. 8 Kurven zur Darstellung des Einflusses von Dampfadditiven auf die Bürstenabnutzung.

9098 15/0749

In den Figuren bedeuten gleiche Bezugszahlen gleiche oder entsprechende Teile. In Fig. 1 und 2 ist ein homopolarer Generator von moderner Konstruktion dargestellt, der eine Basis 10 besitzt, die einen Stator 12 und einen Rotor 14 trägt, die derart angeordnet sind, daß sie miteinander elektrodynamisch zusammenarbeiten. Da die Erfindung mit jeder Art von dynamoelektrischer Maschine anwendbar ist, sind die Maschinenbestandteile und die Konstruktion, die nicht direkt für die Erfindung von Bedeutung sind, nur allgemein dargestellt. Der Rotor 14 wird auf Lagern 16 gehalten, die an entgegengesetzten Enden der Maschine angeordnet sind, und eine Kupplung 17 wird verwendet, um den Rotor mit einem primären Antrieb zu verbinden, wie beispielsweise mit einem Motor. Um eine geeignete Kühlung zu schaffen, ist der Rotor mit einem Einlaß 18 versehen, der durch eine zentrale Durchführung 20 und radial durch Durchbrüche 22 ein Kühlmittel von niedriger Temperatur hindurchführt, bevor das Kühlmittel durch Auslaßdurchführungen zum Raum 24 und zum Auslaß 26 zurückgeführt wird.

Der Stator enthält ein Paar Feldspulen 28 (nur eine ist dargestellt) , die über geeignete Leiter erregt werden und durch Kühlmittelzufuhr- und Auslaßröhren 30 gekühlt werden. Von der Maschine während des Betriebs erzeugter Strom wird über eine um den Umfang des Rotors herum angeordnete Leiterbüchse 32 zu einem Kommutator oder zu Schleifringen 33 sowie zur Stromkollektoranordnung 34 geleitet, die auf entgegengesetzten Enden des Stators montiert ist. Die Kollektorbürsten 44 sind mit zylindrischen Leitern 36 verbunden, die auf der inneren Oberfläche des Stators montiert sind und Strom über Anschlüsse 38 an eine Last liefern.

In Fig. 2 werden die Stromkollektoren in größeren Einzelheiten dargestellt. Eine um den Umfang herum angeordnete Höhlung 40 ist im Statorkern 12 gebildet, welche zum Luftspalt hin durch einen isolierten Bürstenhalter 42 geschlossen ist. Der Bürstenhalter ist in geeigneter Weise durchbohrt oder durchfräst, um öffnungen zu schaffen, die Bürsten 44 aufnehmen, wobei jede Bürste durch Federn 46 mit konstantem Druck mit den Rotorschleif-

909815/0749

ringen 33 in Kontakt gebracht wird. Die Bürstennebenschlüsse sind in üblicher Weise am Statorleiter 36 angeschraubt oder auf andere Weise befestigt. Um die Bürstenhalter, die an beiden Enden der Maschine angeordnet sind, in geeigneter Weise zu kühlen, erstrecken sich separate Kühlversorgungsröhren 50 durch entgegengesetzte Enden des Stators in die Höhlung 40. Diese Röhren sind entweder in die Bürstenhalteroberfläche eingebettet oder an dieser befestigt und erstrecken sich um diese umfangsmäßig herum, bevor sie die Bürstenhalterhöhlung auf der anderen Seite der Maschine verlassen.

Da es der Maschinenwirkungsgrad erforderlich macht, daß die Bürsten auf einem Temperaturpegel arbeiten, der Staubbildung und wesentliche Lichtbogenbildung nicht zuläßt, muß eine Wärmesenke für die Bürsten vorgesehen werden, um zu ermöglichen, daß die Wärme von den Bürsten durch Wärmeleitung abgeführt wird. Um dies zu erreichen, erleichtern die die Bürsten tragenden Bürstenhalter den Wärmeaustausch zwischen den Bürstenhaltern und einem Kühlmittel, das durch den Kühlmittelflüssigkeitseinlaß 52 bzw. Auslaß 54 fließt, die vom Stator getragen werden. Vorzugsweise enthält der Bürstenhalter innere, den Durchflußkreis bildende Durchbrüche, die angrenzend oder nahe zu den Bürsten liegen, die im Kontakt mit den Kommutator- oder Schleifringoberflächen sind.

In der alternativen Anordnung gemäß Fig. 3 wird der Bürstenhalter 42 bezüglich des Schleifringes 33 in der Art der Fig. 1 gehalten, jedoch ist zusätzlich eine kreisförmige oder rechteckige Röhre 50 an der Bürstenhalteroberfläche angeschweißt oder auf andere Weise angebracht.

Wie weiter oben angedeutet, wurde die vorliegende Erfindung durch die kürzlichen Konstruktionsänderungen bei dynamoelektrischen Maschinen angeregt, insbesondere durch die der homopolaren Generatoren, die Bürsten erfordern, die einen fortlaufenden Betrieb beim Stromdichten von 155 A/cm² und mehr erfordern, und zwar bei höheren Gleitgeschwindigkeiten und bei er-

909815/0749

heblich verminderten Abnutzungsraten. Diese erwünschten Betriebseigenschaften werden dadurch erreicht, daß der Bürsten-Schleifring-Grenzflächenwiderstand möglichst klein gemacht wird, welcher zu elektrischen Verlusten führt, und indem die Reibung zwischen Bürste und Schleifring möglichst klein gemacht wird, die zu mechanischen Verlusten führt, und indem die Bürstenabnutzungsraten möglichst klein gemacht werden. Um eine Verringerung der elektrischen und mechanischen Verluste zu erhalten, wurden spezielle Materialkombinationen für jeweilige Anwendungen ausgewählt, wobei die Betriebsumgebung gegenüber der gegenwärtigen Praxis geändert wird und außerdem die Kontaktglieder aktiv gekühlt werden. Unter Berücksichtigung der Kombination von Materialien zeigten erste Bürsten-Schleifring-Testdaten, daß dann, wenn Metall zu der Graphitbürstenmatrix hinzugefügt wurde, sich eine erhebliche Reduktion der elektrischen Komponente des gesamten Energieverlustes ergab. Eine Bestätigung dieses Effektes ergibt sich aus der folgenden Tabelle I und aus den Kurven der Fig. 4.

909815/0749

Tabelle I

O CD OO

-C-CO

Kupferring, 13 m/s Peuchtxgkeitszusatz

Fläche einer Einzelbürste: 1 cm Belastung: 7 N/cm ; 78 A/cm²

Bürsten- Gas- Reibungs- Kontaktqualität Umgebung koeffizient spannungs-/Xi abfall/ V

*EG1 **EG1 EG1 SG1

Luft Luft

co₂

0,17 0,05 0,05 0,23

2 *Belastungen: 2 N/cm , 9 A/cm **Belastung: 39 A/cm

0,66 0,78 0,41 0,00 Energieverlust
in J/(bm² · m) mech. elektr. gesamt

0,34 0,48 0,82

0,35 2,38 2,73

0,35 2,50 2,85

1,59 0,00 1,59

Bürstenabnutzung mnr/Mm

2,32

12,28

0,81

2,45

Diese Resultate zeigen, daß die Silbergraphitbürsten der Graduierung SG1, die 80 Gew% Silber enthalten, einen elektrischen Kontaktverlust von im wesentlichen 0 aufweisen, jedoch auf Kosten erhöhten mechanischen Verlustes. Der gesamte Energieverlust wurde jedoch in wü2sehenswerter Weise auf 56 % des Verlustes reduziert, der sich für die EG-Bürsten ergibt, wobei beide Graduierungen unter den gleichen Lastbedingungen und in Kohlendioxid arbeiteten. Obwohl der gesamte Kontaktenergieverlust bei der SG1-Bürste reduziert war, war die Bürstenabnutzungsrate viel höher. Bezüglich herkömmlichen Betriebs von EG-Bürsten in Luft, ergab sich jedoch im wesentlichen die gleiche Lebensdauer, wenn die SG-Bürsten in einer Kohlendioxi7umgebung betrieben wurden, selbst bei 8fach höherer Stromdichte» Außerdem zeigten die SG-Bürsten eine 5fach verbesserte Lebensdauer gegenüber den EG-Bürsten, wenn der Laststrom der EG-Bürsten auf die Hälfte des Laststromes der SG-Bürsten gebracht wird,, Vergleicht man nur EG-Bürsten miteinander, mit den gleichen Unterschieden in der Strombelastung, ergibt sich eine 15fache Lebensdauerverbesserung, wenn der Betrieb in Kohlendioxid statt in Luft erfolgte.

Die durch den Betrieb der oben angegebenen Bürsten erhaltenen Ergebnisse zeigten, daß es wünschenswert ist_p die Betriebseigenschaften von Mehrfachbürsten festzustellen, wie in der folgenden Tabelle angedeutet. Aus diesem Grunde wurden 24 im Handel erhältliche Metallgraphitbürstenmaterialien untersuchte Viele dieser ausgewählten Materialien v/erden häufig für Bürsten benutzt, die bei industriellen und kommerziellen Anwendungen verwendet werden, und sie haben sich für herkömmliche Stromdichten und für den Betrieb in Luft als zufriedenstellend erwiesen. Das Bürstenmaterial enthielt Kupfer oder Silber als hauptsächlichen Metallzusatz. Sie wurden durch das Verfahren der pulvermetallurgischen Kompaktierung und Sinterung hergestellt und repräsentieren einen Metallgehaltbereich, der von 60 bis 97 W/0 (Gew% Metall) reicht.

909815/0749

Bursten- typ	ungefährer Gew%anteil von Metall	Bürsten typ	ungefährer Gew%anteil von Metall	Bürsten typ	ungefährer Gew%anteil von Metall
W759	60	ME154O	80	SG510	90
SG156	64	SG52O	80	SG 201	90
5004	65	SG216	80	W933	92
*CM3B	74	SM551	80	M91X	92
SG212	75	W795	85	*»CO157	93
SG142	75	SG515	85	*CMO	95
«*ANK	75	SG2O2	85	W4O5	97
ME1541	76	*CM15	90	728	97

*Morganite Carbon Co. "^National Carbon Co. Sonstige: Stackpole Co.

Die Bürsten wurden in Kombination mit Kupferlegierungsschleifringen in einer angefeuchteten Kohlendioxidgasatmosphäre (20° C Taupunkt) untersucht, bei Betriebsbedingungen von 78 A/cm durch die Bürste hindurch, was äquivalent zu dem lofachen der herkömmlichen Bürstenstromdichte ist. Die Bürsten wurden einer mechanischen Belastung von 7 bis 8 N/cm ausgesetzt, wobei die Schleifringgeschwindigkeit 13 bis 25 m/s betrug. Die Kontaktenergieverluste und die Bürstenabnutzung sind als Funktionen des Bürstenmetallgehaltes in Fig. 5 und 6 aufgetragen. Obwohl etwas Asymmetrie in der Kontaktwirkungsweise bei Bürsten entgegengesetzter Polarität gefunden wurde, sind in diesen Figuren für beide Polaritäten die DurchschnittsVerluste und Abnutzungswerte angegeben. Viele der Meßpunkte repräsentieren den Durchschnitt von einer Anzahl von Duplikatdurchläufen. Abweichungen in den Daten werden vermutlich durch unterschiedliche Graphitbasismaterialien und unterschiedliche Bürstenherstellungsverfahren verursacht.

Es ist zu bemerken, daß die in Fig. 5 dargestellte obere Kurve zeigt, daß die gesamten Kontaktenergieverluste (Energiedichte pro Einheit Gleitentfernung) minimal ist, wenn der Bürstenmetall-

909815/0749

gehalt nahe 80 W/0 liegt. Die Kurve zeigt auch, daß der Gesamtverlust von der elektrischen Komponente dominiert wird, wenn der Metallgehalt weniger als etwa 70 W/0 beträgt, bei höheren Prozentwerten jedoch von der mechanischen Komponente. Dies zeigt deutlich die Notwendigkeit einer wirksamen Anwendung des Metalls in dem Bürstenmaterial. Es muß auch ausreichend Metall verwendet werden, um eine hohe Leitfähigkeit zu erreichen, andererseits wird ein hoher Anteil Graphit notwendig, um niedrige Reibung oder gute Schmierung zu ermöglichen. Die Wirkungsweise von bestimmten Kupfer- und Silbergraphitbürstenqualitäten mit vergleichbarem Metallgehalt ist offensichtlich ähnlich, wodurch die Vermutung nahegelegt wird, daß ein wirtschaftlicheres Arbeiten dadurch erreicht werden kann, daß Kupfer statt Silber hinzugefügt wird. Im allgemeinen zeigen jedoch die Kupfergraphitbürstenqualitäten geringere mechanische Verluste, d. h. einen niedrigeren Reibungskoeffizienten, als die Silbergraphitqualitäten, jedoch mit höheren elektrischen Verlusten, d. h. mit höherem Kontaktspannungsabfall und damit mit höheren Gesamtener giever lus ten.

Fig. 6 verdeutlicht, daß die Bürstenabnutzung, gemessen in Volumeneinheiten Abnutzung pro Einheit Gleitentfernung sehr niedrig ist für kleine Metallzusätze. Im Bereich bis zu 65 W/0 steigt die Abnutzung von 0,5 mm /Mm bei Metallgehalt von 0 auf etwa 1 mm /Mm an. Bei höheren Metallprozentanteilen steigt die Bürstenabnutzung scharf an, sie beträgt 3 mm /Mm bei 75 W/0 und 30 mm³/Mm bei 85 W/0.

Bezüglich des Einflusses der Temperatur auf die Bürstenabnutzung ist es bekannt, daß Elektrographitbürsten eine sehr hohe Abnutzung in der Form von Stauben zeigen, wenn die Bürsten bei zu hohen Temperaturen betrieben werden. Die kritische Bürstenmaterial temperatur, d. h. die Temperatur innerhalb der Bürste beträgt für Elektrographitbürsten 180 bis 220° C, wenn die Bürsten in Kohlendioxidumgebung betrieben werden, die auf Taupunktwerte von 0 bzw. 20° C angefeuchtet ist. Andererseits ist die Bürstenlebensdauer sehr lang, wenn die Burstentemperatur unter diesen

909815/0749

kritischen Werten gehalten wird. Es wird angenommen, daß der Grund für das Stauben darin liegt, daß die Desorption von Feuchtigkeit von den Kontaktgegenflächengraphitstellen übermäßig wird, wenn die kritische Temperatur für den jeweiligen Feuchtigkeitszustand erreicht wird. Es gibt unbefriedigte Oberflächenener'gien, die zu übermäßigen Adhäsionskräften zwischen den Kontaktgliedern führen und somit eine erhöhte Reibung und hohe Abnutzung erzeugen. Es ist daher klar, daß für Anwendungen mit hohen Stromdichten ausreichende Kühlung der gleitenden Bürstenkontakte wichtig ist und die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Konstruktion soll diese Kühlfunktion ermöglichen.

Um den Einfluß der Schleifring- oder Kommutatormaterialien auf das Stromübertragungssystem in richtiger Weise zu berücksichtigen, wurden 19 unterschiedliche Schleifringmaterialien in Kombination mit Kupfergraphitbürsten untersucht. Die Ringmaterialien umfaßten Kupfer, Silber, hochfeste, hochleitende Kupferlegierungen, Graphit, Nickel, Nickellegierungen, Bronzen mit hohem Zinkgehalt und Stähle. Die folgende Tabelle gibt einen überblick über die Betriebsbedingungen und die Testbetriebsergebnisse für jedes der untersuchten Schleifringmaterialien:

9098 15/0749

Tabelle II

Wirkungsweise von ausgewählten Schleifringmaterialien

Fläche einer Einzelbürste: 1 cnT

zwei Bürsten pro Satz Stromdichte: 78 A/cm Lastdruck 8 N/cm²

Kohlendioxidatmosphäre Feuchtigkeitszusatz (20° C Taupunkt) Ringgeschwindigkeit 15 m/s Kupfergraphitbürsten

Schleifring	Einzel-	Reibungs	Energie	Bürsten	Bürsten
material	bürsten-	koeffi	verlust-	hai ter-	abnutzung , mm /Mm
	span-	zient,	dichte,	tempera-
	nungs-	/^U	J/cm²°m	tur, ⁰C
	abfall,
	^V1
Stahl, Gradu		0,14			1,72
ierung C	0,74	0,09	4,86	157	< 0,15
K Monel-S	0,82	0,10	4,82	169	20,97
316 S/Stahl	0,74	0,11	4,50	165	2,29
35 Zn Bronze	0,58	0,08	3,81	123	0,55
45 Ni/55 Cu	0,54	0,08	3,34	136	0,59
30 Ni/70 Cu	0,53		3,31	136
// 3 Werk		0,15			13,20
zeugstahl	0,39	0,07	3,15	119	0,99
Monel	0,49	0,10	3,00	127	0,25
Nickel	0,38	0,13	2,73	108	0,10
Graphit	0,26		2,36	96
Ag plattier		0,18			0,20
tes Cu	0,14	0,21	2,17	97	0,20
Zr Cu	0,07	0,17	2,05	92	0,40
15 Ni/85 Cu	0,12	0,19	2,00	90	< 0,15
Cu (Ag-haltig)	0,10	0,20	2,00	85	0,20
8 Sn/4 Zn/Cu	0,07	0,17	1,98	93	0,20
Cupaloy	0,11	0,19	1,97	88	0,30
OFHC Cu	0,07	0,19	1,91	92	<0,15
PD 135 Cu	0,06	0,15	1,85	90	0,25
KR Monel	0,13	1,82	92

Im allgemeinen zeigen die Testergebnisse, daß die niedrigsten Nettoleistungsverluste und die längsten Lebensdauern dann erreicht wurden, wenn die kupferhaltigen Graphittestbürsten auf Kupfer, superfesten Kupferlegierungen und mit Silber auf der

909815/0749

-17- 284Ί242

Oberfläche versehenen Kollektorringen betrieben wurden. Obwohl niedrigere Reibungskoeffizienten den Betrieb auf Nickel kennzeichneten, zeigten Stahlmetallringe mit hohem Nickelgehalt höhere Kontaktwiderstände (Spannungsabfalle) und führten daher zu relativ höheren Gesamtenergieverlusten. Es ist zu bemerken, daß KR Monel eine Ausnahme zu sein scheint, weil das Material einen niedrigen Kontaktspannungsabfall mit mittlerer Reibung verbindet, um so niedrigen Energieverlust und niedrige Bürstenabnutzung zu liefern. Die Abnutzung der Bürsten war erheblich höher, wenn sie mit Stahlringen und Bronzemetallringen von hohem Zinkgehalt kombiniert wurden.

Aus den Untersuchungen von sowohl den Bürsten als auch den Schleifringen in einem Stromübertragungssystem können eine Reihe von Schlüssen gezogen werden:

1. Die gegenwärtig benutzte Bürstenstromdichte von 10 A/cm

läßt sich zumindest verachtfachen, wenn die Bürsten in einer angefeuchteten CO^-Gasumgebung betrieben werden.

2. Basierend auf den Ergebnissen der Testuntersuchungen kann zumindest eine Verfünfzehnfachung der Bürstenlebensdauer erreicht werden, wenn Elektrographitbürsten in einer CO₂-Umgebung betrieben werden, anstatt in Luft, selbst wenn die Stromdichte gegenüber den herkömmlichen Werten verachtfacht wird.

3. Der gesamte Kontaktenergieverlust wird erheblich verringert

(um 44 %), wenn zu einer Graphitbürstenmatrix Silber hinzugefügt wird. Gleiche Lebensdauer wurde bei Silbergraphitbürsten erreicht, die in einer CO₂-ümgebung arbeiten, verglichen mit herkömmlichen elektrographitischen Bürsten, die in Luft arbeiten, selbst wenn die Stromdichte gegenüber den herkömmlichen Werten verachtfacht wurde.

4. Basierend auf den obigen Untersuchungen läßt sich sagen, daß im Handel erhältliche Graphitbürsten, die 65 bis 75 W/0 Silber enthalten, die optimale Kombination von Bürstenmaterialien für den Dauerbetrieb bei Maschinen mit hohen Stromdichten sind.

909815/0749

5. Die Schleifringmaterialuntersuchungen zeigen, daß hochfeste und hochleitfähige Kupferlegierungen die besten Kandidaten für die gewünschten Kontaktsysteme für hohe Stromdichten sind. Kupfergraphitbürsten kombiniert mit Ringen dieser Art lieferten niedrigere Energieverluste und niedrigere Abnutzungskennwerte gegenüber der Kombination mit Ringmaterialien wie Nickel, Bronze mit hohem Zinkgehalt und Stahl.

Es scheint wichtig zu sein, anzumerken, daß der Film auf dem Schleifring erheblich zu der sehr niedrigen Abnutzung von Elektrographitbürsten in Kohlendioxidumgebungen beiträgt. Der Kupferschleifring wird anfänglich gesäubert und dann ein sehr leichter Graphitfilm auf den Schleifring von den Bürsten während der ersten wenigen Umdrehungen des Schleifringes aufgebracht. Der Film ist schwierig durch Lichtuntersuchung zu erkennen und ändert sich danach nicht merklich. Die elektrische Leitung über der Bürsten-Schleifring-Grenzfläche wird im wesentlichen durch den Bürsteneinschnürungswiderstand begrenzt, der sich direkt mit dem Widerstandswert ändert. Da nur sehr geringe Abnutzung auftrat, während die Betriebsdurchläufe gemacht wurden, wird angenommen, daß eine Festkörper-auf-Festkörper-Berührung des Bürsten-Ring-Kontaktes durch adsorbierte Dampf- und/oder Gasfilme verhindert wird. Graphit, der auf den Schleifring übertragen wird, sowie Graphit auf der Bürstenfrontflache dienen als hochaffine Adsorptionsstellen für Umgebungsgasdämpfe. Somit tritt ein Bürstengleiten auf sehr dünnen quasi fluiden Filmen auf. Es tritt ein Reibungsluftwiderstand auf, während diese Filme geschert werden oder während Graphitkristallite dazu gebracht werden, aufeinander sich zu verschieben, während eine relative Bewegung zwischen dem Ring und den Bürsten stattfindet.

Zusätzlich zu den Bürsten- und Schleifringmaterialien wurden noch 5 unterschiedliche nichtoxidierende GasatmoSphären bezüglich ihres Einflusses auf die Bürstenwirkungsweise untersucht, einschließlich Schwefelhexafluorid. Die Untersuchungen wurden mit zwei Silbergraphitbürsten in Kombination mit einem Kupfer-

909815/0749

schleifring durchgeführt, die unter ähnlichen Bedingungen in jedem der Gase betrieben wurden. Ähnliche Bürsten wurden auch in Luft betrieben, um einen Vergleich mit einem oxidierenden Gas zu erhalten. Es wurden Gase von Laboratoriumsqualität für die -Experimente verwendet, jedes Gas mit Taupunkten von weniger als -68 C vor der Aufnahme von absichtlichen Feuchtigkeitszusätzen (0° C 1'aupunkt) kurz vor dem Eintritt in die Brüsten-Ring-üntersuchungsumschließung. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle III dargestellt. Es ist zu bemerken, daß die gewünschten Bürstenwirkungsweise durch niedrige Energieverluste und niedrige Bürstenabnutzung gekennzeichnet ist. Der Nettoeffekt des elektrischen Verlustes (Kontaktspannungsabfall) und des mechanischen Verlustes (Reibungskoeffizient) pro Einheit der durchfahrenen Entfernung spiegelt sich in den dargestellten Energieverlusteigenschaften.

Tabelle III

Eff§kte_des_ümgebungsgases Bürsten der Graduierung SG (1 / Bürstenbelastungen: 78 A/cm², 8 N/cm2

Bürsten der Graduierung SG 2 (1 cm²/Bürste), Kupferring (13 m/s)

/² /2

Bürstenmaterialtemperaturbereich: 67-80 C

Gas*"	Kontakt spannungs abfall, V	Reibungs koeffizient, /U	Energie verlust , J/cm²«m	Bürsten abnutzung , mm³/Mm
Luft	0,00	/ 0,34	2,3	23,3
CO₂	0,03	0,18	1,6	3,2
SF₆	0,18	0,10	1/9	2,2
N₂	0,17	0,06	1/6	1/5
He	0,26	0,06	2,1	1,3
Ar	0,17	0,06	1,5	0,7

^ungefährer Gesamtdruck des Gases: 1 bar Teildruck des FeuchtigkeitsZusatzes: 600 Pa.

909815/0749

Die Bürstenwirkungsweise, ausgedrückt in dem gewünschten niedrigen Energieverlust und der niedrigen Abnutzung, ist erheblich besser in jeder der fünf angefeuchteten nichtoxidieren Gasatmosphären als in Luft. Ein sehr niedriger Reibungskoeffizient

2 (0,06), niedrigste Energieverluste (1,5 J/cm *m) und niedrigste Abnutzung (0,7 mm /Mm) wurden gemessen, wenn die Testbürsten in einer Argongasumgebung betrieben wurden. Der Bürstenkontaktspannungsabfall war sehr niedrig (0,03 V) in einer Kohlendioxidgasumgebung, jedoch war dieser Spannungsabfall 6 bis 9mal höher in anderen Gasen. Die niedrigste Kontaktspannung wurde bei Kohlendioxid erreicht, jedoch wurde dieser Vorteil wieder aufgehoben durch einen höheren Reibungskoeffizienten (0,18) und höhere Bürstenabnutzung (3,2 mm /Mm).

Dynamische Bürstenbetriebsuntersuchungen wurden mit fünf unterschiedlichen Kohlenwasserstoffdampfzusätzen als Beispiele durchgeführt, um das Grenzflächenmodell zu unterstützen, und zwar hinsichtlich des Einflusses auf den Kontaktspannungsabfall (Widerstand) und auf die Abnutzungseigenschaften von Silbergraphitbürsten, die auf einem Kupferschleifring in einer "knochentrockenen" Kohlendioxidgasatmosphäre arbeiteten.

Organische Dämpfe umfassen Alkan, Alkohol, Keton, Aldehyd und cycloparaffinische Materialien, ausgewählt aus paraffinischen (alkanen) Kohlenwasserstoffen mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen pro Molekül, wie beispielsweise Heptan C^H-g, Dodecan C-|2^H26' Hexadecan C₁--H₃. u. dgl.; Alkohole mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen wie beispielsweise Heptanol C-H₁J-OH, Decanol C₁₀H₂₁OH u. dgl.: Ketone mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise 2-Heptanon (Amyl-Methyl-Keton) CH₃CO(CH₂)4CH₃, 2-Decanon (Methyl-Octyl-Keton) CH₃COCgH₁₇ u. dgl.; Aldehyde mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen wie beispielsweise n-Heptaldehyd (Enanthaldehyd) CH₃(CH₂)₅CHO, n-Decylaldehyd (Capraldehyd) CH₃(CH₂)3CHO u. dgl.; und die cycloparaffinische Verbindung Decalin (Decahydro-Naphthalen) C₁₀H₁₈, sowie Mischungen davon. Obwohl diese Materialien viele Isomere enthalten, werden die geradkettigen, normalen (n-) einfachen Kohlenstoff-Kohlenstoff-

909815/0749

bindungen Formen vorgezogen, weil angenommen wird, daß sie sich besser an die Graphitmaterialien anheften. Bei Kohlenwasserstoffen mit weniger als 7 oder mehr als 16 Kohlenstoffatomen ergeben sich Anhaftprobleme. Die günstigsten Materialien sind n-paraffinisehe Kohlenwasserstoffe mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen .

Wasserdampf wurde auch zu Bezugszwecken untersucht. Alle Kohlenwasserstoff additive waren bei Raumtemperatur flüssig. Die Dämpfe wurden in das fortlaufend zugeführte Testgas (CO„) dadurch eingeführt, daß das Kohlenstoffgas durch das entweder auf 0° oder auf 25° gehaltene Kohlenwasserstoffadditiv blasenförmig hindurchgeführt wurde. Andere Dampfkonzentrationen wurden dadurch erhalten, daß Teile von angefeuchteten und trockenen Strömen des Testgases gemischt wurden. Der gesamte Umgebungsgasdruck wurde nahe 1 bar gehalten. Die Betriebsbedingungen, die Testdampfadditive und die Bürste-Ring-Betriebseigenschaften sind in Fig. 7 und 8 wiedergegeben. Diese Versuche wurden in einer CO,-Umgebung mit einem Gesamtdruck von etwa 1 bar durchgeführt,

- 2

wobei Silbergraphitbürsten mit einer Fläche von 1 cm und Kupferringe mit einer Geschwindigkeit von 13 m/s verwendet wurden.

2 2

Die Bürstenbelastungen betrugen 78 A/cm und 8 N/cm und die Bürstentemperatur reichte von 65 bis 78° C.

Aus Fig. 7 ergibt sich, daß eine wesentlich höhere Bürstenkontaktspannung vorherrscht, wenn die Kohlenwasserstoffdampfadditive durch Wasserdampf in der CO^-Atmosphäre ersetzt werden. Dies gilt selbst für sehr niedrige Teildrücke der Kohlenwasserstoffadditivdämpfe. Die Höhe der Bürstenspannung neigt dazu, verhältnismäßig konstant für alle Kohlenwasserstoffe über sehr weite Bereiche der Dampfkonzentrationen zu sein. Es gibt jedoch einen mäßigen Anstieg der Spannung mit ansteigendem Dampfdruck.

Eine nichtstaubende Abnutzung wurde erreicht, indem zu reinen trockenen CO~-Atmosphären jeweils getrennt die Kohlenwasserstoffdämpfe hinzugefügt wurden, wobei in der Atmosphäre Hochstromsilbergraphitbürsten betrieben wurden, Fig. 8. Die Bürstenab-

009815/0749

nutzung kann weiter reduziert werden, indem der Kohlenwasserstoff additivdampf druck im untersuchten Bereich erhöht wird. Eine bestimmte Bürstenlebensdauer ist ebenfalls mit geringeren Dampfdruckkonzentrationen erreichbar, wenn das Kohlenwasserstoff molekular gewicht erhöht wird. Beispielsweise zeigen sich gleiche Bürstenlebensdauern für Dampfdrücke von 670 und 0,2 Pa bei Heptan bzw. Hexadecan. Eine viel höhere Konzentration von Wasserdampf, 3000 Pa, ist erforderlich, um die gleiche Lebensdauer für die Bürste zu erhalten. Obwohl dies nicht dargestellt ist, sind die Reibungskoeffizienten zwischen Bürste und Ring im wesentlichen konstant geblieben (0,16), unabhängig von dem Dampfdruckadditiv oder dessen Teildampfdruck.

Diese Testdaten zeigen, daß eine erhebliche Verbesserung bei der Bürstenarbeitsweise (niedrigere Grenzflächenenergieverluste und niedrigere Abnutzung) sich ergeben, wenn der Betrieb in einem von fünf ausgewählten Gasen (CO₂, SF,, N₂, He und A) erfolgt, verglichen mit ähnlichem Betrieb in Luft. Alle Testgasumgebungen enthielten Wasserdampf mit einem Teildruck von 600 Pa. Die beste Wirkungsweise zeigten Silbergraphitbürsten, die bei

78 A/cm Stromdichte in einer Argonumgebung arbeiteten.

Fünf unterschiedliche Kohlenwasserstoffe wurden als Dampfadditive zu einer ansonsten trocknen Kohlendioxidgasatmosphäre untersucht. Es wurde gefunden, daß diese Dampfzusätze als Feuchtigkeit gleich wirksam bei der Schaffung der Schmierung und der Erreichung niedriger Abnutzung sind. Die Bürstenwirkungsweise in diesen Umgebungen erwies sich als abhängig vom Kohlenwasserstoffmolekulargewicht (Kettenlänge) und von der Dampfkonzentration. Bezüglich der Feuchtigkeitszusätze werden gleich gute Bürstenlebensdauer mit sehr niedrigen Konzentrationen der ausgewählten Kohlenwasserstoffmaterialien erhalten. Der Kontaktspannungsabfall kann durch Veränderung des Teildruckes der Kohlenwasserstoff additive beeinflußt werden.

Es wird deutlich, daß viele Modifikationen und Variationen aufgrund der obigen Lehren möglich sind. Die für die Kontaktglieder

909815/0749

verwendeten spezifischen Materialien, sei es für die stationären oder rotierenden Glieder, müssen offensichtlich für jede spezielle Anwendung ausgewählt werden, wo Zugeständnisse hinsichtlich des Kontaktwiderstandes, der Reibung und der Abnutzungsraten gemacht werden können. Es wird dem Durchschnittfachmann klar sein, daß unterschiedliche Materialkombinationen geeignet sein können, abhängig davon, ob die Anwendung eine Kommutierung erfordert, beispielsweise bei heteropolaren Maschinen, die Kommutatoren oder segmentierte Ringe verwenden, oder ob lediglich eine Stromübertragung notwendig ist, wie beispielsweise bei homopolaren Maschinen, die im allgemeinen fortlaufende Kollektorringe benutzen. Wie bereits weiter oben offenbart wurde, umfassen typische Kombinationen elektrographitische Kohlenstoffbürsten auf Kupferkommutatoren, Silber- oder Kupfergraphitbürsten auf Kupferlegierungs- oder Stahlschleifringen, oder Kohlenstoffbürsten auf Kupferschleifringen. Die stationären und rotierenden Materialglieder werden natürlich in einer sauerstofffreien Gasumgebung betrieben, in die ein geeignetes Dampfadditiv eingeschlossen ist. Auch können Höhlungsgehäuse und Bürstenhalter und angrenzende Stromkollektoren in einem Teil des Stators angeordnet werden, wie hier offenbart, oder axial außerhalb davon, wie bei Gleichstrommaschinen.

ES/jn 5

909815/0749

Claims

1. Bürstenanordnung für dynamoelektrische Maschinen, die einen ^_^y Stator und einen darin gehaltenen Rotor umfassen, welche für eine elektrodynamische Zusammenarbeit angeordnet sind, mit zumindest einem Stromkollektor auf dem Rotor, der während des Maschinenbetriebs Strom aufnimmt, mit in Bürstenhaltern auf der Maschine montierten festen Stromkollektorbürsten, wobei die Bürstenhalter so angeordnet sind, daß sie einen Bürstenkontakt mit dem Stromkollektor ermöglichen, mit Einrichtungen, die den Stromkollektor und die Bürsten in einer im wesentlichen flüssigkeitsdichten Höhlung umschließen, die gegenüber der Atmosphäre abgeschlossen ist, mit Einrichtungen, um unter Druck stehendes Gas durch die Höhlung hindurchzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit einem Additiv vermischt ist, das aus einer dampfförmigen organischen Substanz besteht, die einen Spannungsabfall an den Bürsten von nicht mehr als 0,2 V und

eine Bürstenabnutzungsrate von nicht mehr als 20 mm Abnutzungsmaterial pro Megameter Schleifringweg erlaubt, wenn der Betrieb bei einer Temperatur erfolgt, die gerade unterhalb der kritischen Bürstenmaterialtemperatür liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten graphitische Bürsten sind und in sich Metall dispergiert aufweisen, wobei der Metallgehalt zwischen 30 und 97 Gew% liegt.

90981 5/0749

ORIGINAL INSPECTED

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

2 Burstenabnutzungsraten von 3 bis 30 mm /Mm sich ergeben, wenn der Metallgehalt der Bürste zwischen 75 und 85 % Metall bezogen auf das Gewicht beträgt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Gehäuse hindurchgeführte Gas Kohlendioxid umfaßt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dampfförmige organische Substanz zumindest einen paraffinischen Kohlenwasserstoff mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen, einen Alkohol mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen, ein Keton mit 7 bis 16 Kohlenstoffatomen, ein Aldehyd mit

7 bis 16 Kohlenstoffatomen und/oder Decalin ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff n-paraffinisch ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Bürstenhalter (42) innere Durchführungen (50) aufweist, daß Einrichtungen (30, 18, 26) vorgesehen sind, die einen Anschluß an eine Quelle für Kühlmittel ermöglichen und die an die Durchführungen (50) angeschlossen und so angeordnet sind, daß sie ein Kühlmittel hindurchführen, um Wärme von den Bürsten (44) während

des Maschinenbetriebs abzuführen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Bürstenhalter (42) ein Kühlrohr (50) aufweist, das in Wärmeaustauschbeziehung zum Bürstenhalter (42) angeordnet ist, um erzeugte Wärme abzuführen.

909815/0749