DE3138690A1

DE3138690A1 - Schleifbuerste fuer dynamoelektrische maschine und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE3138690A1
Application number: DE19813138690
Authority: DE
Inventors: Randall M. Murrysville Pa. Garrett; Joseph W. Turtle Creek Pa. Sabino; Vincent Pitcairn Pa. Scaglione; Owen S. Jeannette Pa. Taylor
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1981-01-29
Filing date: 1981-09-29
Publication date: 1982-10-28
Also published as: JPS57129151A; GB2095042A; FR2498831A1

Description

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WS286P-2395

Schleifbürste für dynamoelektrische Maschine und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Schleifbürste für dynamoelektrische Maschinen, bestehend aus zumindest einem Faserbündel, und aus einem Verfahren zur Herstellung einer Schleifbürste.

Schleif bürsten werden bei elektrischen Maschinen zur Stromübertragung zwischen sich bewegenden Teilen und stationären Teilen verwendet und sind in der Regel aus einem monolithischem Kohlenstoffblock oder einer aus Kohlenstoff und einem hochleitfähigcn Material bestehenden Zusammensetzung hergestellt. In der Frühzeit der elektrischen Maschinen wurden Drahtlitzen für diesen Zweck wie Farbpinsel zusammengebunden, woraus sich auch der Name ableitet. Die Verwendung von zusammengebundenen Drahtlitzen ist bei den heutigen Anforderungen nicht mehr möglich, sodaß nur noch monolithische Strukturen Verwendung finden.

Der Wirkungsgrad von Gleichstromanlagen mit hohem Strom und

FS/hh niederer

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niederer Spannung hängt in großem. Umfang von der Leistungsfähigkeit der Schleif bürsten ab. Um die Widerstandsverluste zu verringern und den Ge samt wirkungsgrad des Systems zu verbessern werden gesinterte Metallgraphitbürsten verwendet, die etwa 50 % bis etwa 75 % Silber oder Kupfer anstelle des herkömmlichen

Kohlenstoffes enthalten. Diese Schleifbürsten haben etwa ein Zehntel des Widerstandswertes herkömmlicher Schleifbürsten aus Kohlenstoff, jedoch ergeben sich durch den geringen Widerstand in Verbindung mit der Leck-Induktivität der Kollektorlamelle Schalt- «■*· 10 problenie am nachlaufenden Ende der Schleifbürste, an welchem

der Kontakt abreißt. Diese Probleme sind unter dem Begriff "Metallverarrmmg" bekannt und stellen sich aufgrund des Temperaturanstiegs in der Grenzschicht zwischen der sich ablösenden Schleifbürste und der Kollektorlamelle ein. Der Temperaturanstieg ist ausreichend groß, um das Metall aus der Kohlenstoffmetallverbindung einer Schleifbürste herauszuschmelzen. Dies.e Verarmung tritt zuerst an der Nachlaufkante der Schleifbürste auf, wo die Leistungsdichte ihr Maximum erreicht, und wandert dann von der nachlaufenden Kante aus in die noch nicht verarmten Bereiche. Damit wandert diese elektrisch nacheilende Kante praktisch unter

*** die Schleif bürstenfläche. Diese Erscheinung bildet sich fortlaufend

solang aus, bis die Verlustleistung innerhalb der Verarmungszone hohen Widerstandes einen nennenswerten Betrag der Gesamtverlustleistung während des Umschaltintervalles darstellt. In diesem Punkt stabilisiert sich die Verarmungszone auf einen festliegenden Abstand von der nachlaufenden Kante der Schleifbürste. Diese Erscheinung ist ausführlich in der US-Patentanmeldung Nr. 144,815 vom 29. April 1980 beschrieben.

Der Erfindung liegt

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu schaffen, welche geeignet sind, die Metallverarmung an dem nachlaufenden Ende der Schleifbürste zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Vielzahl von leitenden und mit einer elektrischen Isolierung überzogenen Fasern bzw. Drähten nebeneinander in einem flachen Bündej. angeordnet und mit einem Bindemittel miteinander verbunden sind] daß das eine Ende des Faserbündels freigelegt und mit einem leitenden Material zu einem massiven Block verbunden ist; daß das freigelegte Ende des Faserbündels mit einem Querträger einer Halterung elektrisch und mechanisch unter Ausbildung eines Bürstensegmentes verbunden ist; und daß eine Vielzahl von Burstensegmenten Seite an Seite zu einer Schleifbürste zusammengefaßt ist, wobei zwischen den einzelnen Bürstensegmenten abschleifbare und elektrisch isolierende Zwischenschichten angeordnet sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Schleifbürste gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Spannvorrichtung elektrisch leitende und mit einer Isolierung überzogene Fasern bzw. Drähte in einen trogartigen Ausschnitt zur Ausbildung eines flachen Leiterbündels aufgewickelt werden; daß zwischen die Leiter in den trogartigen Ausschnitt ein Bindemittel eingebracht wird;

daß das Leiterbündel im trogartigen Ausschnitt mit Hilfe einer Abdeckplatte zusammengepreßt und geformt wird, wobei überschüssiges

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schüssiges Bindemittel austritt;
daß das Bindemittel ausgehärtet wird; daß da.s Loiturbündel auf beiden Seiten des trogartigen Ausscluiilles auf eine vorgegebene Länge beschnitten wird;

daß das eine Ende des Leiterbündels freigelegt und das Isoliermaterial abgeätzt wird;

daß das freigelegte und vom Isoliermaterial befreite Ende des Leiterbündels mit Lot zu einem massiven, elektrisch leitenden Block verbunden und das derart vorbereitete Leiterbündel in den Querträger der Halterung eingelötet wird; daß die dadurch fertiggestellten Bürstensegmente Seite an Seite anliegend zusammengefaßt werden, wobei die abschleif baren, elektrisch isolierenden Zwischenschichten zwischen den einzelnen Bürstensegni enten verlaufen;

und daß die zusammengefaßten Bürstensegmente mit einem abschleifbaren, elektrisch isolierenden Material (Isolierpapiermantel 23) zur Fertigstellung der Schleifbürste unter Einhaltung einer vorgegebenen Querschnittsabmessung umwickelt werden.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand eines auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Schleifbürste gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Bürstensegmentes gemäß Fig. 1;

Fig. 3

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Fig. 3 eine teilweise geschnittene Frontansicht eines Bürstensegmentes gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Bürste gemäß Fig. 1;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Spannvorrichtung zur Herstellung von Bürstensegmenten;

Fig. 6 bis 9 eine Darstellung einzelner Bearbeitungsphasen bei

der Herstellung einer Schleifbürste gemäß der Erfindung;

Fig. 10 eine Ansicht einer weiteren Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schleifbürste.

In Fig. 1 ist eine Schleifbürste 1 aus Fasermaterial für eine dynamoelektrische Maschine dargestellt. Die Schleifbürste ist aus einer Vielzahl von einzelnen Bürstensegmenten 3 aufgebaut, welche elektrisch gegeneinander isoliert, jedoch zu einer Einheit zu sammengefaßt sind.

Derartige Bürstensegmente 3 sind in den Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt und bestehen aus einer Vielzahl individuell gegeneinander isolierter leitender Fasern 5 oder aus Kupferdrähten, welche mit einer elektrischen Isolierung überzogen sind. Die einzelnen Fasern

liegen dicht nebeneinander in einem grundsätzlich flachen Bündel, wobei die nebeneinander verlaufenden Fasern durch eine adhäsive Zwischenlage aneinander haften. Die Fasern sind am einen Ende freigelegt und in eine leitende Masse eingelötet. Das Bürstensegment 3

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ment 3 umfaßt ferner eine T-förmige Halterung 7, welche aus einem Querträger 9 und einem Schaft 11 besteht. Der Querträger hat einen stufenförmigen Absatz 12, in welchen die freigelegten Enden des flachen Faserbündels eingelegt und mit dem Querträger sowohl elektrisch als auch mechanisch, z.B. durch Löten, verbunden sind.

Der Schaft 11 der T-förmigen Halterung 7 hat eine Vielzahl von Bohrungen 13, in welche Widerstandsdrähte 15 aus einem Wider_w 10 Standsmaterial wie z.B. Nichrom eingesetzt und eingelötet sind.

Zum Einlöten wird zweckmäßigerweise ein Silberlot benutzt, um eine gute mechanische und elektrische Verbindung sicherzustellen, die auch in der Lage ist, die hohen möglichen Temperaturen im Verbindungsbereich aufzunehmen.

Die riachen Bündel der Fasern 5, welche mit dem Querträger 9 verbunden bind, werden elektrisch gegen das benachbarte Faserbündel und die dazugehörige T-förmige Halterung mit Hilfe von Isolationspapier 17 oder einem anderen geeigneten schleifbaren

^₀, Material isoliert. Jeder Querträger 9 der Halterung 7 ist mit einer

Vielzahl von Querbohrungen am jeweiligen Endabschnitt versehen, in welche Stifte 21 aus Micarta oder einem anderen elektrisch nichtleitenden Material eingesetzt sind. Die einzelnen Faserbündel der Bürstensegmente sind mit dem Isolationspapier 17 einerseits gegeneinander isoliert und andererseits mit einem weiteren Isolationspapier 23 nach der Zusammenmontage zur Schleifbürste am äußeren Umfang isoliert. Auch der Schaft II ist mit einem Isolierband 25, z.B. Kapton, umwickelt, sodaß die Schleifbürste zu einer Einheit

zusammengefaßt

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zusammengefaßt ist, welche vorgegebene Dimensionen hat.

Auf beiden Seiten des Schaftes 11 am Querträger 9 ist jeweils ein Federsattel 26 angeordnet. Dieser Federsattel 26 besteht Vorzugsweise aus Graphit und ist elektrisch gegen die T-förmige Halterung 7 mit Hilfe einer Isolierschicht 27 aus einem elastomeren Material isoliert.

Die Lä.nge der Widerstandsdrähte 15 kann variieren, um den gewünschten Widerstand an jedem einzelnen Bürstensegment auf eine minimale Verarmung am nachlaufseitigen Ende der Bürste einzustellen. Die beschriebene Schleifbürste 1 besteht aus isolierten Faserbündeln mit vorgegebenen Querschnittsabmessungen, welche sich wie eine massive monolithische Bürste durch das abschleif bare Isoliermaterial und die Bindemittel abnützt, jedoch die elektrischen Eigenschaften einer isolierten Litzenbürste zeigt.

In Fig. 5 ist eine Spannvorrichtung 31 dargestellt, in welcher rechteckförmig ausgebildete trogartige Ausschnitte ausgebildet sind, sodaß die um die Spannvorrichtung 31 gewickelten isolierten Leiterfasern bzw. Drähte durch eine flache Abdeckplatte 35 gehalten werden, während die Faserbündel aus den isolierten Drähten für die einzelnen Bürstensegmente zugeschnitten werden.

Das Verfahren der vorausstehend beschriebenen Schleifbürste 1 wird anhand der Fig. 6 bis 9 erläutert und umfaßt das Einlegen eines abschleifbaren Isoliermaterials, z.B. Isolierpapier 17, auf die Bodenfläche des trogförmigen Ausschnittes 33. Die Seitenwände

des trogartigen

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des trogartigen Ausschnittes 33 werden anschließend mit jeweils einem Ge webe streifen 37 belegt, der über die obere Kante und einen Teil der Bodenfläche gemäß Fig. 7 verläuft. Im Anschluß daran wird eine vorgegebene Anzahl von Windungen des leitenden Fasermaterials bzw. der isolierten Leiterdrähte 5 um die Spannvorrichtung 31 herumgewickelt, bis der trogartige Ausschnitt 33 im wesentlichen gefüllt ist. Beim Aufwickeln wird gleichzeitig ein Bindemittel eingegeben, um die einzelnen Drähte innerhalb des Ausschnittes 33 festzulegen.

Nach dem Aufbringen des Leiterwickels werden die Endabschnitte der Ge webe streifen 37 über die Leiterwicklungen gelegt und ein weiteres Isolierpapier 17 auf die Oberseite der Wicklung gemäß Fig. 9 aufgelegt. Auf den soweit fertiggestellten Wickel wird die Abdeckplatte 35 aufgesetzt und verspannt, um überschüssiges Bindemittel aus dem Wickel herauszudrücken und den Wickel auf den gewünschten Querschnitt zusammenzupressen. Der derart präparierte Wickel wird anschließend in einen auf Raumtemperatur gehaltenen Ofen eingelegt und die Temperatur jeweils um 3 C pro Minute angehoben, bis eine Endtemperatur von etwa 190 C erreicht ist. Diese Temperatur wird für etwa 2 Stunden aufrecht erhalten, um anschließend den Wickel wieder auf Raumtemperatur abkühlen zu lassen. Nach dem Abkühlen werden die Wickel beschnitten und das flache Faserbündel aus der Spannvorrichtung herausgenommen, wobei die Drähte etwa um 15 mm am einen Ende über das flache Bündel überstehen. Diese überstehenden Drähte werden in ein Ätzmittel getaucht, das auf etwa 385 C gehalten wird, um sämtliche isolierenden Teile wegzuätzen und die Drähte freizulegen. Nach einem Spülen der abgeätzten Drähte in Wasser

werden diese

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werden diese in ein Flußmittel getaucht und anschließend in einem geeigneten Material verzinnt, sodaß eine zusammenhängende leitende Masse am Ende des flachen Bündel., entsteht. Das verlötete Ende wird ebenfalls bearbeitet, um es auf die richtigen Abmessungen zu bringen, und überprüft, ob das Lötmittel eine gute Verbindung mit allen Leiterdrähten eingegangen ist. Anschließend wird das Bündel in den stufenförmigen Absatz 12 am Querträger 9 eingelötet. Nach dem Entfernen des überschüssigen Lötmittels wird die Isolation auf den verlöteten Abschnitt aufgebracht und das Bürstenseg-

1.0 ment 3 fertiggestellt. Zur Fertigstellung der Schleifbürste werden die einzelnen Bürstenelemente 3 zusammengefaßt und mit den isolierenden Stiften 21, welche durch die Bohrungen 19 vorlaufen, fest zusammengehalten. Zur Fertigstellung werden die zusammengefaßten Bürstenelemente mit dem Isolierpapiermantel 23 umgeben und der gesamte Aufbau in eine Spannvorrichtung 41 eingesetzt, welche das beim Anbringen des Isolierpapiermantels beigefügte überschüssige Bindemittel herausdrückt. Die Spannvorrichtung 41 zusammen mit der eingespannten Schleifbürste 1 wird in einem Ofen gehärtet, wobei die Temperatur schrittweise um 3 C pro Minute auf etwa 190 C angehoben und anschließend auf dieser Temperatur für etwa 2 Stunden gehalten wird. Nach dem Herausnehmen der gehärteten Schleifbürste aus der Spannvorrichtung 41 werden die Nichrom-Widerstandsdrähte 15 in die Bohrungen 13 am Schaft 11 der Halterung 7 eingesetzt und mit Silberlot verlötet.

Schließlich wird der Schaft 11 mit Isolierband 25 umwickelt, womit die Schleifbürste fertiggestellt ist.

Claims

Patentansprüche

IJ Schleifbürste für dynamoelektrische Maschinen, bestehend aus ■/.um indusi einem KuHcrbUiidel, d a d u ve Ii n ι· k ι· n π zeichnet,

- daß eine Vielzahl von leitenden und mit einer elektrischen Isolierung überzogenen Fasern bzw. Drähten (5) nebeneinander in einem flachen Bündel angeordnet und mit einem Bindemittel miteinander verbunden sind,

- daß das eine Ende des Faserbündels freigelegt und mit einem leitenden Material zu einem massiven Block verbunden ist,

- daß das freigelegte Ende des Faserbündels mit einem Querträger (9) einer Halterung (7) elektrisch und mechanisch unter Ausbil 'ung eines Bürsten Segmentes (3) verbunden ist,

- und daß eine Vielzahl von Bürstensegmenten (3) Seite an Seite zu einer Schleifbürste (1) zusammengefaßt ist, wobei zwischen den

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einzelnen Bürstensegmenten (3) abschleifbare und elektrisch isolierende Zwischenschichten angeordnet sind.
2. Schleifbürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, .

- daß die Faserbündel der einzelnen Bürstensegmente (3) mit einem ab schleif bar en und elektrisch isolierenden Material umgeben sind.
3. Schleifbürste nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Seite an Seite zusammengefaßten Bürstensegmente mit einem elektrisch isolierenden sowie abschleifbaren Material (Isolierpapiermantel 23) umgeben und zusammengehalten sind.
4. Schleifbürste nach Anspruch 1, dadurch ge kenn zeichnet,

- daß die einzelnen Bürstensegmente (3) auf gegenüberliegenden Hauptflächen mit einem Isolierpapier belegt sind.
5. Schleifbürste nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet,

- daß mit den einzelnen elektrisch leitenden Halterungen (7) der Bürstensegmente jeweils Widerstandsdrähte verbunden sind.

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6. Schleifbürste nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u x' eh gekennzeichnet,

- daß das freiliegende Ende des Faserbündels mit Lot zu einem massiven Block verlötet ist.
7. Schleifbürste nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß das abschleifbare ,elektrisch isolierende Material Isolierpapier ist.
8. Schleifbürste nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß mit der Halterung jedes einzelnen Bürstensegmentes eine Vielzahl von Widerstandsdrähten elektrisch verbunden ist.
9. Schleifbürste nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r eh. gekennzeichnet,

- daß die einzelnen Bürstensegmente durch nichtleitende Stifte (21) verbunden sind, welche aus Micarta bestehen.
10. Schleifbürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß an dem Querträger (9) der Halterung (7) Blöcke (Federsattel 26) angebracht sind, über welche eine Kraft einleitbar ist, um die Schleifbürste im Einsatz mit dem erforderlichen Auflagedruck zu versehen.

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11. Schleifbürste nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Blöcke aus Graphit ausgebildet und gegenüber den Querträgern (9) elektrisch isoliert angeordnet sind.
12. Verfahren zur Herstellung einer Schleifbürste für elektrodynamische Maschinen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, - daß auf eine Spannvorrichtung (31) elektrisch leitende und mit einer Isolierung überzogene Fasern bzw. Drähte in einen trogartigen Ausschnitt (33) zur Ausbildung eines flachen Leiterbündels aufgewickelt werden;

- daß zwischen die Leiter in den trogartigen Ausschnitt ein Bindemittel eingebracht wird;

- daß das Leiterbündel im trogartigen Ausschnitt mit Hilfe einer Abdeckplatte zusammengepreßt und geformt wird, wobei überschüssiges Bindemittel austritt;

- daß das Bindemittel ausgehärtet wird;

- daß das Leiterbündel auf beiden Seiten des trogartigen Ausschnittes (33) auf eine vorgegebene Länge beschnitten wird;

- daß das eine Ende des Leiterbündels freigelegt und das Isoliermaterial abgeätzt wird;

- daß das freigelegte und vom Isoliermaterial befreite Ende des Leiterbündels mit Lot zu einem massiven, elektrisch leitenden Block verbunden und das derart vorbereitete Leiterbündel in den Querträger (9) der Halterung (7) eingelötet wird;

- daß die dadurch fertiggestellten Bürstensegmente Seite an Seite anliegend zusammengefaßt werden, wobei die ab schleif bar en,

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elektrisch isolierenden Zwischenschichten zwischen den einzelnen Bürstensegmenten verlaufen;

- und daß die zusammengefaßten Bürstensegmente mit einem abschleifbaren, elektrisch isolierenden Material (Isolierpapiermantel 23) zur Fertigstellung der Schleifbürste unter Einhaltung einer vorgegebenen Querschnittsabmessung umwickelt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- daß die abschleifbaren, elektrisch isolierenden Zwischenschichten durch .Einlegen von Isolierpapierschichten in den trogartigen Ausschnitt (33) der Spannvorrichtung (31) bei der Herstellung der einzelnen Bürstensegmente geschaffen werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine zweite ab schleif bare, elektrisch isolierende Zwischen-schicht auf den Leiter wickel im trogartigen Ausschnitt (33) vor dem Verpre.ssen des Wickels aufgelegt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- daß die einzelnen Querträger (9) der Halterung (7) .durch nichtleitende elektrische Befestigungsstifte zusammengehalten werden.

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16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- daß mit den Halterungen (7) der einzelnen Bürstensegmente Widerstandsdrähte verbunden werden.