DE4025367C2

DE4025367C2 - Metallgefüllte Kohlebürste für einen Kleinmotor

Info

Publication number: DE4025367C2
Application number: DE4025367A
Authority: DE
Inventors: Isao Shibuya
Original assignee: Mabuchi Motor Co Ltd
Current assignee: Mabuchi Motor Co Ltd
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2010-08-11
Also published as: GB2234757B; GB9017445D0; DE4025367A1; GB2234757A; US5227689A

Description

Die Erfindung betrifft eine metallgefüllte Kohlebürste für einen Kleinmotor gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2, dessen Merkmale aus der DE-PS 4 78 021 und der DE-OS 27 12 227 ableitbar sind.

Kohlebürsten für Kleinmotoren werden bisher dadurch hergestellt, daß ein Binder dem auf etwa 98% oder 99,5% gereinigten Graphitpulver zugefügt, das erhärtete Gemisch zermahlen und gesiebt, dem zermahlenen und gesiebten Gemisch ein Metallpulver beigemengt wird, um die gewünschte elektrische Leitfähigkeit zu erzielen, woraufhin das so erhaltene Gemisch druckgeformt und gesintert wird. In der DE-PS 4 78 021 werden Kupfer oder Kupferlegierungen mit Graphit vermischt. In der DE-OS 27 12 227 werden neben Graphit z. B. Siliciumcarbid, Zinn, Blei und Kupfer eingesetzt.

In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 40 12 654 wird ein Metallpulver zu metallischen Überzügen auf Graphitpartikeln verarbeitet, die mit den metallischen Überzügen durch Preßformen und Sintern zu Kohlebürsten geformt werden. Das Graphitpulver wird gereinigt, um seinen Aschegehalt auf 0,05 Gew.-% zu verringern.

Ferner sind Verfahren zum Herstellen metallgefüllter Kohlebürsten für Kleinmotoren mit einem Permanentmagnetfeld durch Mahl- und Siebprozesse zur Hinzufügung eines Bindemittels zum gereinigten Graphit, Vermengungsprozesse für das Metallpulver und das gesiebte Graphitpulver mit Binder und Druckformungsprozesse auch aus der US-PS 42 40 830 und US-PS 41 01 453 bekannt.

Fig. 10 zeigt einen herkömmlichen Herstellungsprozeß von Kohlebürsten für Kleinmotoren unter Verwendung von Graphitpulver mit einer Reinheit von 98% bis 99,5%.

Wie die Figur zeigt, wird die Kohlebürste dadurch her gestellt, daß ein Binder dem auf eine Reinheit von 98% bis 99,5% gereinigten Graphitpulver zugefügt, das erstarrte Graphit-Bindergemisch zermahlen und gesiebt, dem zermahlenen und gesiebten Gemisch ein Metallpulver beigemengt wird, um die gewünschte elektrische Leit fähigkeit zu erzielen, woraufhin das so erhaltene Ge misch druckgeformt und gesintert wird.

Um die Verwendung des Binders zu vermeiden, ist auch eine sogenannte Kupfer-plattierte Graphitbürste bekannt. Die Kupfer-plattierte Graphitbürste wird hergestellt, indem Partikel des Graphitpulvers mit Kupfer überzogen werden, das auf etwa 99% gereinigt ist, woraufhin das Kupfer-überzogene Graphitpulver druckgeformt und ge sintert wird, ohne daß ein Binder hinzugefügt wird.

Die herkömmliche metallgefüllte Kohlebürste wird her gestellt, indem natürliches Graphit mit einem Binder physikalisch vermischt und das Gemisch zermahlen und gesiebt wird. Mit dem physikalischen Vermengungsprozeß allein verbleiben jedoch 0,5 bis 1,0 Gewichtsprozent von SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, Silikate, MnO, MgO und andere Oxide als Fremdstoffe in dem Graphit in Form von Asche.

Fig. 11 ist eine vergrößerte Ansicht des Aschegehalts (Fremdstoffe) in dem Graphit.

Die metallgefüllte Kohlebürste, die durch Hinzufügen eines Binders zu dem Graphitpulver der vorstehend er wähnten Reinheit hergestellt ist, hat eine gute Umwelt beständigkeit, da die Menge des verbleibenden Binders zum Zeitpunkt der Sinterung reduziert ist, und die Metallpartikel haben eine kleine Außenfläche, so daß sie weniger dem Angriff korrodierender Gase und der Oxidation ausgesetzt sind.

Die mit Kupfer oder einem anderen Metall plattierte Kohlebürste hat eine Porosität von 10% bis 30%. Dies führt dazu, daß die Oberfläche des dünnen Metallfilms groß ist, so daß die Gefahr einer Oxidation und eines Angriffs korrodierender Gase groß ist.

Deshalb neigen die in verhältnismäßig großen Mengen ver bliebenen Fremdstoffe dazu, den Schmierölfilm auf dem Kommutator zu beschädigen, wodurch die Abnutzung der Bürste beschleunigt und die Kommutierungseigenschaften verschlechtert sind.

Fig. 12 zeigt eine Oszillograph-Wellenform der her kömmlichen metallgefüllten Kohlebürste. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die Wellenform des Motorstroms sehr unregelmäßig ist. Da die Abnutzung der Kohlebürste fortschreitet, erscheint Isoliermaterial in der Kohle bürste an der Gleitfläche zwischen der Bürste und dem Kommutator, wodurch die Kommutierungsleitung ver schlechtert wird, so daß der Motor in extremen Fällen ausfallen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Metall-gefüllte Kohlebürste für Kleinmotoren an zugeben, die gute Kommutierungseigenschaften und eine verbesserte Umweltbeständigkeit hat, sowie ein Ver fahren zur Herstellung einer derartigen Bürste anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn zeichen der Patentansprüche 1 und 9 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die metallgefüllte Kohlebürste ist im wesentlichen durch Verwendung eines Graphitpulvers gebildet, das auf weniger als 0,05 Gew.-% Aschegehalt gereinigt ist.

Dem gereinigten Graphitpulver werden gemäß der ersten Lösung 0,1 bis 10,0 Gew.-% von Oxiden mit einer Partikelgröße von weniger als 50 µm hinzugefügt.

Dem gereinigten Graphitpulver werden gemäß der zweiten Lösung 0,1 bis 15,0 Gew.-% eines abriebbeständigen, elektrisch leitfähigen Pulvers einer Partikelgröße von weniger als 50 µm zugefügt.

Aus der DD-PS 237 099 ist zwar aus einer Tabelle für Testmaterialien für Schleif- und Gleitkontakte aus unterschiedlichen Graphitmarken ein Aschegehalt von 0,05% entnehmbar, hierbei handelt es sich jedoch nicht um natürliches Graphit sondern um Elektrographit.

Beide erfindungsgemäßen Zusammensetzungen ergaben eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit, gute Kommutierungseigenschaften und eine ausgezeichnete Abnutzungs- und Umweltbeständigkeit.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Er findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungs gemäßen Prinzips;

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Grund herstellungsverfahrens der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Frischungsofens, der in dem erfindungsge mäßen Reinigungsbehandlungsprozeß verwendet wird;

Fig. 4 ein Oszillographenwellenform-Diagramm zur Darstellung einer Kommutierungswellenform für eine erfindungsgemäße metallgefüllte Kohlebürste (erste Kohlebürste);

Fig. 5 Versuchsergebnisse, die die Abhängigkeit des Abnutzungsgrades einer weiteren Aus führungsform der erfindungsgemäßen Kohle bürste (zweite Kohlebürste) von der Par tikelgröße der Oxidzugabe zeigen;

Fig. 6 Versuchsergebnisse, die die Abhängigkeit des Abnutzungsgrades der zweiten Kohle bürste von dem Gehalt der Oxidzugabe zeigen;

Fig. 7 Versuchsergebnisse zum Vergleich des Ab nutzungsgrades einer dritten Kohlebürste gemäß der Erfindung mit dem Abnutzungsgrad weiterer Kohlebürsten;

Fig. 8 Versuchsergebnisse, die die Abhängigkeit des Abnutzungsgrades der dritten Kohle bürste von dem Gehalt der Karbidzugabe zeigen;

Fig. 9 Versuchsergebnisse, die die Abhängigkeit des Abnutzungsgrades der dritten Kohle bürste von der Partikelgröße der Karbid zugabe zeigen;

Fig. 10 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Her stellungsverfahrens einer herkömmlichen Metall-gefüllten Kohlebürste;

Fig. 11 eine Darstellung zur Erläuterung der Zu sammensetzung des Aschegehalts (Fremd stoffe) des Graphits, der nach einem her kömmlichen Herstellungsverfahren behandelt ist und

Fig. 12 ein Oszillographenwellenform-Diagramm zur Darstellung der Kommutierungswellenform einer herkömmlichen Metall-gefüllten Kohle bürste.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung zur Er läuterung des erfindungsgemäßen Prinzips und zeigt den Zustand, in dem die Metall-gefüllten Graphitbürsten für Kleinmotoren (nachfolgend als Kohlebürsten be zeichnet) in einem Kleinmotor verwendet werden, zu sammen mit einer perspektivischen Ansicht (A-1) der Kohlebürste.

In der Figur bezeichnen das Bezugszeichen 1 einen Kommu tator, 2 ein Kommutatorsegment, 3 eine Drehwelle, 4 eine Kohlebürste und 5 ein elastisches Bürstenteil.

In Fig. 1 sind die Kohlebürsten 4 von elektrisch leiten den elastischen Bauteilen 5 so gehalten, daß sie in Gleitkontakt mit den Kommutatorsegmenten 2 stehen. Die Kohlebürste 4 ist zu einer umgekehrten T-Form gesintert, deren Fuß von dem elastischen Bauteil 5 gehalten ist, wie in A-1 der Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt ist. Die Bodenfläche der umgekehrten T-Form ist etwas gekrümmt, um den Gleitkontakt mit dem Kommutator segment 2 zu ermöglichen.

Fig. 2 zeigt in einem Flußdiagramm das grundsätzliche Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung. Die Zahl 20 bezeichnet Graphitpulver, das auf etwa 99% bis 99,5% gereinigt ist, 21 bezeichnet einen Reinigungsbe handlungsprozeß gemäß der Erfindung, 22 einen Binderbe handlungsprozeß, 25 einen Druckformungsprozeß und 26 einen Sinterprozeß.

Eine erfindungsgemäße Kohlebürste wird, wie Fig. 2 zeigt, dadurch hergestellt, daß der Reinigungsbehand lungsprozeß 21, der Binderbehandlungsprozeß 22, der Druckformungsprozeß bzw. Preßformungsprozeß 25 und der Sinterprozeß 26 an dem Graphitpulver ausgeführt werden. Während auf die Beschreibung des Binderbehand lungsprozesses 22, des Druckformungsprozesses 25 und des Sinterprozesses verzichtet wird, da diese bekannt sind, wird der Reinigungsbehandlungsprozeß 21 nachfolgend mit Bezug auf Fig. 3 in Einzelheiten beschrieben, da dies ein Hauptmerkmal der Erfindung ist.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Frischungs ofens bzw. Reinigungsofens, der gemäß der Erfindung in dem Reinigungsbehandlungsprozeß verwendet wird. Die Zahl 20 in der Figur bezeichnet Graphitpulver, 30 den eigentlichen Ofen, 31 einen Stromzufuhrtransformator, 32 ein Halogenrohr und 33 eine Heizeinrichtung.

Der Reinigungsbehandlungsprozeß entspricht einem Prozeß, bei dem Verunreinigungen in Graphitpulver unter Ver wendung einer Halogen-freisetzenden Substanz wie CCl₄ oder CCl₂F₂ beseitigt werden, wobei die Substanz Halogen bei hohen Temperaturen in einem inerten Gas wie Stickstoff oder Argon vollständig freisetzt. Das heißt, das Graphitpulver 20 wird in den Ofen 30 eingefüllt, wobei sich ein Halogengasrohr 32 in dem Graphitpulver 20 befindet. Wenn die Temperatur des Ofens durch die Heiz einrichtung 33 auf ungefähr 1800°C angehoben ist, wird CCl₄ gesättigt in dem inerten Gas durch das Halogenrohr 32 zugeführt. In diesem Fall laufen in dem Ofen die folgenden Reaktionen ab:

CCl₄ → C + 2 Cl₂

3 C + Fe₂O₃ + 3 Cl₂ → 2 FeCl₃ + 3 CO

Wenn die Temperatur auf über 1900°C ansteigt, wird CCl₄ durch Cl₂F₂ ersetzt, woraufhin die Reinigungsbe handlung über vier Stunden lang bei über 2500°C fort gesetzt wird. Bei dem nachfolgenden Kühlvorgang wird die Spülung mit einem inerten Gas wie Stickstoff oder Argon beibehalten, um Verunreinigungen an einer umge kehrten Diffusion zu hindern und das Halogen abzuführen.

Dieser Reinigungsbehandlungsprozeß erzielt Graphit mit einer Reinheit von über 99,95 Gewichtsprozent, wobei die Verunreinigungen geringer sind als 0,05 Gewichts prozent.

Fig. 4 ist ein Oszillographwellenformdiagramm zur Erläuterung einer Kommutierungswellenform einer Kohle bürste, die nach dem Grundherstellungsprozeß gemäß Fig. 2 hergestellt wurde (nachfolgend als erste Kohle bürste bezeichnet). Bei der ersten Kohlebürste der Erfindung erscheint die Kommutierungswellenform zum Zeitpunkt der Kommutierung regelmäßig, wie sich aus der Oszillographwellenform in Fig. 1 ergibt, anders als die Kommutierungswellenform einer herkömmlichen Kohlebürste gemäß Fig. 12. Dies zeigt, daß die erste erfindungsgemäße Kohlebürste ausgezeichnete Kommu tierungseigenschaften hat.

Wie oben beschrieben, wird eine Kohlebürste mit sta bilen und ausgezeichneten Kommutierungseigenschaften erhalten, wenn die Kohlebürste dadurch hergestellt wird, daß das Graphitpulver auf ein geringes Maß an Verun reinigungen in dem Reinigungsbehandlungsprozeß in dem Grundherstellungsprozeß der Erfindung, durch Mischen von Metallpulver mit dem Graphitpulver und durch Druck formung und Sinterung des Gemischs hergestellt wird. Wegen des niedrigen Kohlegehalts des Bindergehalts und der kleinen Oberfläche der Metallpulverpartikel ist mit weniger Oxidation zu rechnen, was zu einer guten Umwelt beständigkeit führt.

Der Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung stellte Metall-gefüllte Kohlebürsten nach den folgenden Methoden her, zusätzlich zu dem Reinigungsbehandlungsprozeß, um die Reinheit des für die Metall-gefüllten Graphit bürsten verwendeten Graphits zu verbessern, und führte Versuche an Motoren mit diesen Bürsten aus.

i) Physikalische Reinigung

Graphit wurde von Verunreinigungen in einem Flotations prozeß getrennt, der Unterschiede in physio-chemischen Flächeneigenschaften fester Partikel nutzt. Der phy sische Reinigungsvorgang behandelte Partikel von etwa 300 µm Größe. Aufgrund des Umstandes, daß Graphit mit Luftblasen getrennt werden kann, wurde Graphitpulver in ein Gemisch aus Öl und Luftblasen eingeführt und ge sammelt, indem die Graphitpartikel an den schwebenden Luftblasen anhafteten. Bei diesem Prozeß kann eine Reinheit von nicht weniger als 98% und weniger als 99,5% erreicht werden. Dies bedeutet, daß Verunrei nigungen von nicht weniger als 0,5% bis etwa 2% in dem Graphitpulver enthalten sind.

ii) Chemische Behandlung

Die Verunreinigungen in dem Graphit wurden in hochkon zentrierten Säure- und Alkalilösungen gelöst, und die Lösungen wurden erhitzt (auf 160 bis 170°C) und unter Druck gesetzt (auf 5 bis 6 atms). Diese Behandlung wird allgemein Autoklavprozeß genannt, der hauptsächlich aus den folgenden Reaktionen besteht:

Fe₂O₃ + 6 HCl → 2 FeCl₃ + 3 H₂O

2 SiO₂ + 4 NaOH → 2 Na₂SiO₃ + 2 H₂O

Mit dieser chemischen Behandlung werden Reinheiten von nicht weniger als 99% und weniger als 99,9% erzielt, mit Verunreinigungen zwischen nicht weniger als 0,05% und etwa 1,0%, die in dem Graphitpulver verbleiben.

Dies zeigt, daß die Reinheit des mit dem obigen physi kalischen und chemischen Reinigungsprozeß erhaltenen Graphit geringer ist als die Reinheit des Graphits, das nach dem erfindungsgemäßen Reinigungsbehandlungs prozeß erhalten wird. Dies bedeutet, daß Graphit hoher Reinheit nicht mit der vorstehend beschriebenen physi kalischen und chemischen Behandlung erhalten werden kann.

Nachfolgend wird eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kohlebürste (nachfolgend als zweite Kohlebürste bezeichnet) und das Verfahren der Herstellung dieser zweiten Kohlebürste beschrieben. Die zweite Kohle bürste und das Verfahren zu ihrer Herstellung ent sprechen im wesentlichen der ersten Kohlebürste, die mit Bezug auf die Fig. 1 bis 4 oben beschrieben ist. Die zweite Kohlebürste hat eine bessere Abriebbeständig keit als die erste Kohlebürste. Dies ist durch Ver wendung von Oxiden (wie SiO₂, Al₂O₃, Fe₃O₃, MnO, MgO, TiO, Silikate etc.) als abriebbeständige Substanzen er möglicht, wobei etwa 0,1 bis 10 Gewichtsprozent der Oxide in einer Partikelgröße kleiner als 50 µm hinzu gefügt werden, das Gemisch dem Binderbehandlungsprozeß unterworfen und anschließend die Prozesse 23 bis 26 aus geführt werden. Mit den nach diesen Prozessen herge stellten, metall-gefüllten Kohlebürsten haben Kleinmotoren ausgezeichnete Kommutierungseigenschaften und eine aus gezeichnete Abriebbeständigkeit. Die oben erwähnten Oxide können in dem Metallpulvermischprozeß 24 hinzu gefügt werden.

Fig. 5 zeigt Versuchsergebnisse zur Verdeutlichung der Beziehung zwischen dem Bereich der Partikelgrößen und dem Abnutzungsgrad der Oxide, die dem Binder in dem Binderbehandlungsprozeß 22 in Fig. 2 zugefügt werden. Fig. 6 zeigt Versuchsergebnisse des Abnutzungs grades durch Änderung des Oxidgehaltes, während die Partikelgröße der Oxide unter 50 µm gehalten wird.

Die Versuchsergebnisse gemäß den Fig. 5 und 6 geben maximal 80 Stunden dauernde Betriebsversuche an 10 Bürsten wieder, die für jede Versuchszahl hergestellt werden. Die x-Marke bezeichnet den Zeitpunkt, an dem eine Bürste ausfiel.

Aus Fig. 5 ist zu ersehen, daß die Partikelgröße des Oxidpulvers unter 50 µm (Versuch Nr. 2) gehalten werden muß, um die Abnutzbarkeit zu verringern, d.h. wenn keine Oxide hinzugefügt sind (Versuch Nr. 1) ist die Abnutz barkeit höher. Mit Oxiden einer Partikelgröße von 50 bis 60 µm (Test Nr. 3) fielen 4 Bürsten in einer rela tiv kurzen Zeitspanne aus (24 Stunden im Durchschnitt). Mit anderen Partikelgrößen (Versuche Nr. 4 bis 7) fielen alle Bürsten in einer kurzen Zeitspanne aus (3,2 bis 4,3 Stunden im Durchschnitt).

Es ergibt sich kein praktisches Problem mit einem Oxidpulvergehalt in einem Bereich von 0,1 bis 10,0 Gewichtsprozent (Versuche Nr. 1 bis 6), da der Grad der Abnutzung bei 41% bis 67% verbleibt, wie Fig. 6 zeigt. Bei einem Oxidpulvergehalt von 12,0 Gewichtspro zent (Versuch Nr. 7) fielen jedoch alle Bürsten aus.

Auf der Basis der vorstehend erwähnten Versuchsergebnisse wurde die zweite Bürste der Erfindung hergestellt, indem die Kommutierungseigenschaften in einem sogenannten Vor behandlungsprozeß verbessert wurden, bei dem die Rein heit des Graphitpulvers auf über 99,95% in dem Reinigungs behandlungsprozeß 21 gemäß Fig. 2 angehoben wurde (damit weniger als 0,05% Verunreinigungen), während die Abriebbeständigkeit in dem Binderbehandlungsprozeß 22 verbessert wurde, wobei nicht nur Graphitpulver unter Verwendung eines Binders erhärtete wie beim Stand der Technik, sondern auch 0,1 bis 10 Gewichts prozent Oxide mit einer Partikelgröße unter 50 µm dem Binder hinzugefügt wurde.

Anschließend wird eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kohlebürste (nachfolgend als dritte Kohlebürste bezeichnet) sowie deren Herstellungsver fahren beschrieben.

Die dritte Kohlebürste und deren Herstellungsverfahren stimmen im wesentlichen mit der ersten und zweiten Kohlebürste überein. Die dritte Kohlebürste hat eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit und elektrische Leit fähigkeit im Vergleich zu der ersten und zweiten Kohle bürste. Die dritte Kohlebürste ist hergestellt, indem 0,1 bis 15,0 Gewichtsprozent von abriebbeständigen und elektrisch leitenden Substanzen (wie Karbide, die haupt sächlich aus einer oder mehr als zwei Arten von TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC, Cr₃C₂, MoC, WC bestehen) einer Partikelgröße von weniger als 50 µm hinzugefügt werden und das Gemisch einer Binderbehandlung in dem Binderbehandlungsprozeß 22 in dem Grundherstellungs prozeß gemäß Fig. 2 und den nachfolgenden Prozessen 23 bis 26 unterworfen wird. Die so hergestellte dritte Kohlebürste hat gute Kommutationseigenschaften, gute Abriebbeständigkeit sowie gute elektrische Leitfähig keit. Die oben erwähnten Karbide können in dem Metall pulververmengungsprozeß 24 beigefügt werden.

Fig. 7 zeigt die Versuchsergebnisse an Kleinmotoren mit Kohlebürsten, denen außer dem Binder keine Additive zu dem Graphitpulver beigefügt wurden, das in einem Reinigungsbehandlungsprozeß 21 auf eine Reinheit von 99,96% behandelt wurde (Versuch Nr. 1); mit Kohle bürsten, die durch Hinzufügung von Oxiden hergestellt werden (wie SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MnO, MgO, TiO, Silikate etc.) (Versuch Nr. 2); und mit Kohlebürsten, die durch Hinzufügung elektrisch leitender Karbide hergestellt wurden (Versuch Nr. 3).

Diese Versuche wurden durch einen bis zu 80 Stunden dauernden Betrieb der Kleinmotoren mit den vorstehend erwähnten Kohlebürsten durchgeführt. In diesem Versuch wurden 3 Gewichtsprozent der Oxide oder Karbide in Partikelgrößen von weniger als 50 µm bei der Herstellung der Kohlebürsten dem Binder hinzugefügt.

Wie Fig. 7 zeigt, erfuhren die Kohlebürsten, denen nichts hinzugefügt wurde, eine Abnutzung von 100%, diejenigen, denen Oxide hinzugefügt wurden, eine Ab nutzung von 33%, und diejenigen mit Karbiden eine Ab nutzung von 19%. Dies bedeutet, daß die Abnutzungsbeständig keit der Kohlebürsten durch Hinzufügung von Karbiden erhöht werden kann.

Fig. 8 zeigt die Versuchsergebnisse an Kohlebürsten, denen unterschiedliche Mengen von Karbiden (einer Partikelgröße von weniger als 50 µm) hinzugefügt wurden, um die Änderungen der Abnutzbarkeit in Abhängig keit von den Änderungen der hinzugefügten Karbidmenge zu ermitteln. In diesem Fall wurden 10 Bürsten herge stellt, indem veränderlich Mengen von Karbiden herge stellt und einem maximal 80 Stunden dauernden Versuch unterworfen wurden. Die x-Marke in der Figur zeigt jeweils den Zeitpunkt an, an dem eine Bürste ausfiel.

Wie die Figur zeigt, wiesen die Kohlebürsten, denen 0,5 Gewichtsprozent Karbide hinzugefügt war, einen Abrieb von 32% nach 80 Betriebsstunden auf, während diejenigen, denen 1,0 bis 15,0 Gewichtsprozent Kar bide hinzugefügt waren, eine relativ niedrige Abnutzung von 20 bis 26% aufwiesen. Bei 20 Gewichtsprozent Kar bidzugabe wurde die Abnutzung des Kommutators extrem hoch, so daß alle Kleinmotoren gestoppt wurden.

Hieraus ist zu entnehmen, daß die Menge der Karbid zugabe vorzugsweise in dem Bereich von 1,0 bis 15,0 Gewichtsprozent liegen sollte.

Fig. 9 zeigt die Ergebnisse von Abnutzungsversuchen an Kohlebürsten, bei denen die Menge der Karbidzugabe konstant (3 Gewichtsprozent) gehalten und die Partikel größe geändert wurde.

Wie die Figur zeigt, war die Abnutzung der Kohle bürsten mit Karbiden einer Partikelgröße von weniger als 50 µm 22% nach 80 Betriebsstunden, während die Abnutzung von den Bürsten mit Karbiden einer Partikel größe im Bereich von 50 bis 74 µm 20% betrug. Mit Karbiden von Partikelgrößen im Bereich von 105 bis 149 µm betrug die Abnutzung der Kohlebürsten 30%, und die durchschnittliche Betriebszeit bis zum Motor ausfall belief sich nur noch auf 53 Stunden. Mit Partikelgrößen im Bereich von 149 bis 174 µm stieg die Abnutzung der Kohlebürsten scharf an mit dem Ergebnis, daß fast alle Motoren ausfielen (durch schnittliche Betriebsdauer bis zum Motorausfall: 38 Stunden).

Die optimale Partikelgröße und Zugabemenge der Karbide liegt auf der Basis der vorstehenden Versuchsergebnisse unter 50 µm und in dem Bereich von 0,1 bis 15,0 Gewichts prozent.

Bei dieser Ausführungsform wurden Karbide als abnutzungs beständige, elektrisch leitende Substanzen verwendet, jedoch sind die abnutzungsbeständigen, elektrisch lei tenden Substanzen nicht auf Karbide beschränkt. Ähnliche Wirkungen können durch Verwendung von Nitriden (wie TiN, ZrN, NbN, TaN, Cr₂N, VN etc.), Boriden (wie TiB₂, Zrb₂, NbB₂, TaB₂, CrB, MoB, WB, LaB, VB₂ etc.), oder Siliciden erreicht werden (wie TiSi₂, ZrSi₂, NbSi₂, TaSi₂, CrSi₂, MoSi₂, WSi₂ etc.).

Außerdem können ähnliche Wirkungen erzielt werden, indem mehr als zwei Arten der vorstehend erwähnten Karbide, Nitride, Boride oder Silicide kombiniert werden.

Wie oben beschrieben, kann die dritte Kohlebürste der Erfindung eine Metall-gefüllte Kohlebürste mit ver bessertem Abnutzungswiderstand und verbesserter elek trischer Leitfähigkeit realisieren, da die erfindungs gemäße dritte Kohlebürste hergestellt ist, indem die Kommutierungseigenschaften in einem sogenannten Vor behandlungsprozeß verbessert sind, in dem die Reinheit des Graphitpulvers auf mehr als 99,95% in dem Reini gungsbehandlungsprozeß 21 in Fig. 2 vor den nach folgenden Prozessen angehoben ist, (damit weniger als 0,05 Gewichtsprozent Verunreinigungen), und indem die Abnutzungsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit in dem Binderbehandlungsprozeß 22 oder dem Metallpulver Vermengungsprozeß 24 verbessert ist, indem 0,1 bis 15,0 Gewichtsprozent von abnutzungsbeständigen und elektrisch leitfähigen Substanzen dem Binder hinzuge fügt werden.

Claims

1. Metallgefüllte Kohlebürste für einen Kleinmotor mit einem Permanentmagnetfeld, der durch Stromkommutation über einen Kommutator rotiert, wobei die Kohlebürste in Gleitkontakt mit dem Kommutator steht und dadurch gebildet ist, Grahitpulver mit Metallpulver vermengt und das Gemisch anschließend druckgeformt und gesintert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Graphitpulver zuvor so gereinigt ist, daß sein Aschegehalt auf nicht mehr als 0,05 Gew.-% reduziert ist, und daß dem Graphitpulver ferner 0,1 bis 10,0 Gew.-% von Oxiden mit Partikelgrößen von nicht mehr als 50 Mikron in einem Binderbehandlungsprozeß oder Metallpulververmengungsprozeß beigefügt ist.

2. Metallgefüllte Kohlebürste für einen Kleinmotor mit einem Permanentmagnetfeld, der durch Stromkommutation über einen Kommutator rotiert, wobei die Kohlebürste in Gleitkontakt mit dem Kommutator steht und dadurch gebildet ist, daß Graphitpulver mit Metallpulver vermengt und das Gemisch anschließend druckgeformt und gesintert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Graphitpulver zuvor so gereinigt ist, daß sein Aschegehalt auf nicht mehr als 0,05 Gew.-% reduziert ist, und daß dem Graphitpulver ferner 0,1 bis 15,0 Gew.-% von abriebbeständigen und elektrisch leitfähigen Substanzen mit Partikelgrößen von nicht mehr als 50 Mikron in einem Binderbehandlungsprozeß oder Metallpulververmengungsprozeß beigefügt ist.

3. Kohlebürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxide Fremdstoffe sind, die hauptsächlich aus SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MnO, MgO, TiO, Silikaten usw. bestehen.

4. Kohlebürsten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abriebbeständigen und elektrisch leitfähigen Substanzen Karbide sind, die hauptsächlich aus einer oder mehr als zwei Arten von TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC, Cr₂C₂, MoC, WC usw. bestehen.

5. Kohlebürste nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abriebbeständigen und elektrisch leitenden Substanzen Nitride sind, die hauptsächlich aus einer oder mehr als zwei Arten von TiN, ZrN, NbN, TaN, Cr₂N, VN, WN usw. bestehen.

6. Kohlebürste nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abriebbeständigen und elektrisch leitfähigen Substanzen Boride sind, die hauptsächlich aus einer oder mehr als zwei Arten von TiB₂, ZrB₂, NbB₂, TaB₂, CrB, MoB, WB, LaB, VB₂ usw. bestehen.

7. Kohlebürste nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abriebbeständigen und elektrisch leitfähigen Substanzen Silicide sind, die hauptsächlich aus einer oder mehr als zwei Arten von TiSi₂, ZrSi₂, NbSi₂, TaSi₂, CrSi₂, MoSi₂, WSi₂ usw. bestehen.