DE4204407A1 - Low resistance commutator brushes - use an additive of micro encapsulated lubricant to allow a lower graphite content to be used - Google Patents
Low resistance commutator brushes - use an additive of micro encapsulated lubricant to allow a lower graphite content to be usedInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft niederohmige Kommutierungsbürsten vom Kupfer/Grafittyp, die sich durch niedrige Reibungskoeffizien ten auszeichnen und somit kleine Verschleißwerte beim kommu tierenden Betrieb aufweisen. Das Anwendungsgebiet ist vorran gig in Elektromotoren der Kraftfahrzeugelektrik gegeben. Die maximal zulässige Dauerstromdichte des Bürstenmaterials ent spricht hierbei herkömmlichen Bedingungen bis ca. 25 A/cm2 bei einer maximalen Umfangsgeschwindigkeit von 30 m/s.The invention relates to low-resistance commutation brushes of copper / gravel type, which are characterized by low friction coefficients th and thus have low wear values in kommu animal operation. The application is given vorran gig in electric motors of automotive electrical. The maximum permissible continuous current density of the brush material ent speaks here conventional conditions up to about 25 A / cm 2 at a maximum peripheral speed of 30 m / s.
Beim Betrieb von Elektromotoren in Nieder- und Kleinspannungs bereichen werden funktionsbedingt vielfach Metall/Grafit-Bür stenmarken eingesetzt, um kleine Übergangsspannungen und hohe Stromübertragungen verlustarm zu gewährleisten. Hauptvertreter dieser Werkstoffgruppe sind Kupfer/Grafit-Systeme mit spezifi schen Widerständen von 0,2 bis 20 µOhm.m. Eine hohe Leistungs übertragung ohne hohe JOULEsche Verluste kann somit durchge führt werden. Zu bemängeln sind die Standzeiten dieser Syste me, da in der Regel Kupferkommutatoren zur Anwendung gelangen und für eine gute Kontaktpaarung gleichartiger (metallischer) Kontaktpartner bisher noch keine optimale und kostengünstige technische Lösung gefunden werden konnte.When operating electric motors in low and low voltage For functional reasons, areas are often metal / graphite brushes used to produce small transient voltages and high To ensure power transmission loss. chief representative This group of materials are copper / graphite systems with specifi rule resistances of 0.2 to 20 μOhm.m. A high performance Transmission without high JOULE losses can thus carry be led. To complain about the life of this system me, since copper commutators are usually used and for a good contact pairing of more similar (metallic) Contact partners so far still no optimal and cost-effective technical solution could be found.
Beim Herstellungsprozeß von Kupfer/Grafitbürsten werden Mi schungen aus einem hochgrafitierten Material und Elektrolyt kupferpulver mit und ohne organischen Bindemitteln eingesetzt. Hierbei dient der Kupferanteil zur Realisierung einer hohen elektrischen Leitfähikeit und der Grafitanteil zur Realisie rung der Gleitfähigkeit des Bürstenmaterials auf dem Kommutator. Die Formgebung der Bürsten wird durch ein direktes Formpressen realisiert. Bei diesem Prozeß können die notwendigen Kontaktie rungselemente gleichzeitig in dem Formkörper verankert werden. Um akzeptable Laufleistungen realisieren zu können, werden me tallhaltige Bürsten mit einem Minimum an diesen Werkstoffen aus gestattet, was natürlich zu Lasten der gewünschten hohen elektri schen Leitfähigkeit geht.In the manufacturing process of copper / graphite brushes, Mi of a highly graphitized material and electrolyte copper powder with and without organic binders used. Here, the copper content is used to realize a high electrical conductivity and the graphite part to the realisie tion of the lubricity of the brush material on the commutator. The shaping of the brushes is achieved by direct compression molding realized. In this process, the necessary Kontaktie be anchored elements simultaneously in the molding. In order to realize acceptable mileage, me tallhaltige brushes with a minimum of these materials allowed, which, of course, at the expense of the desired high electrical conductivity goes.
Dieser materialseitig gegründete Effekt läuft demnach auf ei nen Kompromiß zwischen einer guten elektrischen Leitfähigkeit und der erforderlichen Standzeit hinaus. An diesem Verhalten wird auch dadurch relativ wenig verändert, wenn das evtl. vor handene Plastbindemittel in einer z. B. Stickstoffatmosphäre durch thermische Prozesse aus dem Werkstoffverbund entfernt oder pyrolysiert wird.This material-based effect thus runs on egg NEN compromise between a good electrical conductivity and the required service life. At this behavior is thereby relatively little changed, if that may be existing plastic binder in a z. B. nitrogen atmosphere removed by thermal processes from the composite material or is pyrolyzed.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die dem beschriebenen Stand der Technik anhaftenden Mängel der Kompromißbildung zwi schen effizienter Leistungsübertragung und Laufleistung des kommutierenden Stromübertragungssystems kostengünstig zu mindern bzw. zu beseitigen.The aim of the invention is that described State of the art adhering to the lack of compromise zwi more efficient power transmission and mileage of the Commutating power transmission system to reduce costs or eliminate.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das an sich bekannte Mikroverkapselungsverfahren, z. B. aus der Durch schreibwarentechnik (Farbstoff-Leukobasen) und Pharmazie (micro/nano-encapsulation von Wirksubstanzen), zur Verkapselung bzw. Partikulation von Imprägniermitteln verwendet wird und die Mikrokapseln einem Kupfer/Grafit-Werkstoffverbund zur Herstel lung von niederohmigen Kommutierungsbürsten zugesetzt werden.According to the invention, this object is achieved in that the known microencapsulation processes, e.g. B. from the through Schreibware technique (Dye-Leukobases) and pharmacy (micro / nano-encapsulation of active substances), for encapsulation or particulation of impregnating agents is used and the Microcapsules a copper / graphite composite material for the manufacture tion of low-ohmic commutation brushes are added.
Zur Verkapselung gelangen solche Stoffe, die in üblicher Weise durch Vakuumimgrägnierung einem großen Teil von Kohlebürsten vermittelt werden. Diese Imprägniermittelpartikulation, im fol gendem Mikroverkapselung genannt, gestattet es, alle bekannten flüssigen und festen Imprägniermittel, einzeln oder gemeinsam und in nahezu kugelförmiger Ausführung und variabeler Größenaus bildung durch technologische Prozesse herzustellen. Für die Ver ringerung der Reibungskoeffizienten eignen sich vor allem Mikro kapseldurchmesser von 1 bis 100 Mikrometer.For encapsulation reach such substances, in the usual way by Vakuumimgrägnnierung a large part of carbon brushes mediated. This impregnant particulation, in fol called microencapsulation, allows all known liquid and solid impregnating agent, individually or together and in nearly spherical design and variable sizes education through technological processes. For the Ver Reduction of the coefficients of friction are especially micro capsule diameter from 1 to 100 microns.
Diese Kapseln können im Fall der plastgebundenen Bürstenpro duktion, z. B. durch direktes Formpressen auf Tablettierautoma ten oder Spezialpressen, bereits bei der Masseaufbereitung der Grafit/Kupfer/Plast-Mischung zugesetzt werden, wenn das Kap selmaterial in dem notwendigen Lösungsmittel unlöslich ist. Da ein direktes und automatisches Formpressen immer an den Einsatz eines geeigneten Granulates gebunden ist, besteht auch die Mög lichkeit, mikroverkapselte Hilfsstoffe erst dem Granulat unter zumischen, wenn die verwendeten Lösungsmittel dieses erfordern.These capsules can propro in the case of plastic-bound production, eg B. by direct compression molding on Tablettierautoma or special presses, already in the mass preparation of the Graphite / copper / plastic mixture are added, if the cap selmaterial is insoluble in the necessary solvent. There a direct and automatic molding always to the use is bound to a suitable granules, there is also the possibility sensitivity, microencapsulated excipients first under the granules mix if the solvents used require this.
Aus dieser Verfahrensweise geht hervor, daß die erfindungsge mäßen niederohmigen Kommutierungsbürsten nicht den thermischen Belastungen im Produktionsprozeß ausgesetzt werden sollen, die eine thermische Fugazität der Bindemittelphase erfordern würde. Diese Bürsten werden demnach mit einer temperatur- und wärme formbeständigen Plastbindung ausgestattet. Um die niederohmigen Eigenschaften des Bürstenmaterials nicht zu verschlechtern, wird der Kupfergehalt entsprechend angehoben, so daß nur geringe Men gen eines hochgrafitierten Materials eingesetzt werden.From this procedure, it is apparent that the erfindungsge According to low-resistance commutation brushes, not the thermal one Loads in the production process are to be suspended would require a thermal fugacity of the binder phase. These brushes are therefore with a temperature and heat dimensionally stable plastic binding. To the low impedance Properties of the brush material does not worsen The copper content raised accordingly, so that only small men gene of a hochgrafitierten material can be used.
Erfindungsgemäß soll die Reibung durch das mikroverkapselte Gleitmittel gemindert werden. Diese Aufgabe wurde bei herkömm lichen Kupferbürsten eben durch diesen Grafitanteil und somit durch "Trockenschmierung" bewirkt.According to the invention, the friction through the microencapsulated Lubricants are reduced. This task was at conven union copper brushes just by this Grafitanteil and thus caused by "dry lubrication".
Bei dem direkten Formgebungsprozeß der Bürsten werden unter Be achtung des Toleranzfeldes der Abmessungen die Laufradien und Kantenbrüche in der Form erzeugt, daß eine spätere Nachbearbei tung entfallen kann. Für die in der Preßmischung enthaltenen Mikrokapseln baut sich beim Formgebungsprozeß praktisch ein iso statischer Druck auf, der nicht zur Zerstörung der Kapseln führt. Wie bereits erwähnt wurde, können die Armierungen der Bürsten in diesen Formgebungsprozeß simultan einbezogen werden.In the direct shaping process of the brushes, see Be Attention to the tolerance field of the dimensions of the radii and Edge breaks in the mold creates a later rework tion can be omitted. For those contained in the press mixture Microcapsules are virtually iso in the molding process static pressure, which does not destroy the capsules leads. As already mentioned, the reinforcements of the Brushes are involved in this shaping process simultaneously.
Die Aushärtetemperaturen der eingesetzten Plastbindemittel sind typenmäßig an das verwendete thermisch reaktive System gebunden und richten sich u. a. auch nach den Anwendungsfällen der Final produkte. Bei der Verwendung von präpolymerisierten Epoxiden kann die Aushärtung bereits im Bereich von 130 bis 180°C erfol gen, was sich auch schonend auf das mikroverkapselte Material auswirkt. Eine Zerstörung des Kapselmaterials wird bei geeigne ter Materialauswahl und den geringen Aushärtezeiten ausgeschlos sen. The curing temperatures of the plastic binders used are Type-linked to the used thermally reactive system and are directed u. a. even after the use cases of the final Products. When using prepolymerized epoxies Curing can already be successful in the range of 130 to 180 ° C which is also gentle on the microencapsulated material effect. Destruction of the capsule material is in geeigne Material selection and the low curing times excluded sen.
In der beschriebenen Art können also niederohmige Kommutie rungsbürsten hergestellt werden, die während des natürlichen Betriebsverschleißes im t-Maß mit dem Anschleifen von Mikro kapseln durch den Kommutator hochwirksame Gleitmittel exponie ren. Hier wirkt ein Prozeß in sich ständig wiederholender Form, der für den Betriebszustand der Kommutatormaschinen eine Regel größe zur Verschleißminderung darstellt. Die schmierende Wirkung dieses Systems wird auch durch den relativ geringen Grafitgehalt der Bürsten unterstützt. Auf die verschiedenen Anwendungsfälle bezogen können Optimierungen der Verschleißgrößen in Wechselbe ziehung zum spezifischen Widerstand des Bürstenmaterials durch geführt werden. Infolge der Dauerverfügbarkeit der mikroverkap selten Gleitmittel ist eine hohe Lebensdauer wirksamer Bürsten gegeben, auch wenn langzeitige und thermisch exponierte Be triebspausen gewählt werden. Der reibungsgeminderte Bürstenlauf wirkt sich auch positiv auf die Verschleißgrößen des Kommuta tormaterials aus.In the described manner can thus low-resistance commutation be made during the natural Operating wear in t-dimension with the grinding of micro encapsulate through the commutator highly effective lubricant exponie Here a process in a constantly repeating form, the one for the operating condition of the commutator a rule represents the size of the reduction in wear. The lubricating effect This system is also due to the relatively low graphite content supports the brushes. On the different use cases can optimizations of the wear sizes in Wechselbe to the specific resistance of the brush material be guided. Due to the long-term availability of microverkap Rarely lubricant is a high life brushing effective given, even if long-term and thermally exposed Be drive breaks are selected. The friction-reduced brush barrel also has a positive effect on the wear sizes of the commuta tormaterials out.
Wesentlich im Sinne der Erfindung ist die Deponierung von hoch wirksamen mikroverkapselten Gleitmitteln im Gefüge von Kupfer/Gra fitbürsten, die auch nach einer einfachen Technologie herzu stellen sind. Von den zahlreichen Verfahren zur Herstellung von Mikrokapseln sind für die genannten Anwendungsfälle die folgen den relevant:Essential for the purposes of the invention, the landfill of high effective microencapsulated lubricants in the structure of copper / Gra Fit brushes, even after a simple technology are. Of the numerous processes for the production of Microcapsules are the consequences for the applications mentioned the relevant:
- - Komplexkoazervation zwischen positiv und negativ geladenen Kolloidpolymeren, wobei die Reaktionsbedingungen über pH- Wert- und Temperatureinstellungen bewirkt werden. (ARNEODO,C., BENOIT,J.-P., THIES,C.; S.T.P. Pharma, 2, 303-306 (1086), BECHARRD,S., McMULLEN,J,N.; Pharm. 31, 91-98 (1986)- complex coacervation between positively and negatively charged Colloid polymers, wherein the reaction conditions over pH Value and temperature settings are effected. (ARNEODO, C., BENOIT, J.-P., THIES, C., S.T.P. 2, 303-306 (1086), BECHARRD, S., McMULLEN, J, N .; Pharm. 31, 91-98 (1986)
- - Polymerisation zur Bildung verschiedener Wandmaterialien, wobei die Kapselbildung aus inneren Diffusionsvorgängen gelöster Monomere zum polaren Lösungsmittel hin erfolgt, (HARMIA,T., SPEISER,P., KREUTER,J.; J. Microencapsulation, 3, 3-12 (198S) Polymerization to form various wall materials, wherein the capsule formation from internal diffusion processes dissolved monomers to the polar solvent takes place, (HARMIA, T., SPEISER, P., KREUTER, J .; J. Microencapsulation, 3, 3-12 (198S)
- - Sprühtrocknungen und ähnliche Verfahren, z. B. Versprühen mit 3-Stoff-Düse oder Umhüllen vermittels einer rotierenden Scheibe nach DE 27 46 489 (19.4.1979) und DD 2 39 951 (15.10. 1986).- Spray drying and similar methods, eg. B. spraying with 3-material nozzle or envelopes by means of a rotating Disc according to DE 27 46 489 (19.4.1979) and DD 2 39 951 (15.10. 1986).
Zur Senkung des Reibungswiderstandes im kommutierenden, aber auch gleitenden Bürstenkontakt auf Kommutatoren und/oder Schleifringen werden der Grafit/Kupfer/Plastbindemittelmischung 0,005 bis 3 Masse% mikroverkapselte reibungsmindernde Stoffe zu gesetzt, die nach einem der genannten Verfahren hergestellt wur den. Einbezogen sind hierbei alle bekannten Varianten außer me tallischen Phasen. Zweckmäßig wäre hier in hydrophile und hydro phobe Gleitmittel zu unterscheiden, da in diesem Verhalten ein technologischer Bezug auf die Art der Mikroverkapselung herge stellt wird.To lower the frictional resistance in the commutative, but also sliding brush contact on commutators and / or Slip rings become the graphite / copper / plastic binder mixture 0.005 to 3% by weight of microencapsulated friction-reducing substances set produced by one of the above methods the. Included here are all known variants except me tallish phases. It would be useful here in hydrophilic and hydro To distinguish phobic lubricant, as in this behavior a technological reference to the type of microencapsulation herge is presented.
Auf experimentell begründeter Basis werden die Durchmesser der nahezu kugelförmigen Mikrokapseln auf 1 bis 100 Mikrometer, vorzugsweise auf 20 bis 50 Mikrometer eingestellt. Als Kapsel wandmaterialien werden Stoffe eingesetzt, deren Temperatur- bzw. Wärmebeständigkeitsklassen den jeweiligen Anforderungen im technologischen Prozeß und im Betriebsverhalten entsprechen.On an experimentally based basis, the diameters of the nearly spherical microcapsules to 1 to 100 microns, preferably set to 20 to 50 microns. As a capsule Wall materials are used substances whose temperature or Heat resistance classes to the respective requirements in technological process and operational behavior.
Für das Phasentrennungsverfahren (Komplexkoazervation) können u. a. die folgend genannten positiv geladenen Kolloide einge setzt werden: Gelatine (Beachtung des isoelektrischen Punktes) und Citosan, für negativ geladene Kolloide: Arabisch Gummi, Tragant, Pektin, Alkali-Algenate, Polyacrylate (Carbopol), Agar- Agar, Carboxylcellulose, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylalkohol u. a., sowie die Tenside Natriumoleat, Natriumalkylsulfat u. a., als Härter dienen hierzu Glutaraldehyd, Glyoxal, Zimtaldehyd, Gerbsäure und andere Aldehyde.For the phase separation method (complex coacervation) u. a. the following mentioned positively charged colloids gelatin (attention to the isoelectric point) and Citosan, for negatively charged colloids: Arabic gum, Tragacanth, pectin, alkali alginates, polyacrylates (carbopol), agar Agar, carboxyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol u. a., And the surfactants sodium oleate, sodium alkyl sulfate u. al., glutaraldehyde, glyoxal, cinnamaldehyde, Tannic acid and other aldehydes.
Für das Polymerisationsverfahren werden die Wandmaterialien aus Polythiocyanaten, Polyisocyanaten, Polyamiden, Epoxiverbindun gen, Harnstoffverbindungen und Stoffen aus der Urethan-Epichlor hydrinsynthese, sowie aus Methyl- und Ethylcyanoacrylaten er zeugt. For the polymerization, the wall materials are made Polythiocyanates, polyisocyanates, polyamides, epoxy compounds urea compounds and urethane-epichlorics hydrinsynthese, as well as from methyl and Ethylcyanoacrylaten he testifies.
Auf die Möglichkeit der Anwendung der Fällbadmethoden wird an dieser Stelle nur hingewiesen, da mit diesen Verfahren in der Regel nur grobkörnige Partikulate gewonnen werden können.On the possibility of using the Fällbadmethoden is on This point only pointed out, since with these procedures in the Usually only coarse-grained particulates can be obtained.
Der Zustand, der sich durch die erfinderische Einführung von mikroverkapselten Gleitmitteln in plastgebundene Kupfer/Grafit- Bürstenwerkstoffsysteme ergibt, ist wie folgt zu beschreiben: Beim kommutierenden Betrieb der Bürsten auf Cu-Kommutatoren tre ten bestimmte Verschleißgrößen der Bürsten im Tangentialmaß auf, wobei Mikroteilchen abgetragen werden. Parallel hierzu laufen auch chemische Oxidationsprozesse ab, die im Falle des Auftre tens von Bürstenfeuer bedeutend verstärkt werden können. Beim Bürstenfeuer wird ein Plasmazustand des Umgebungsmediums er zeugt, in dessen Verlauf auch Sauerstoff in seine nascierende Form und in Ozon überführt wird und somit die Existenz starker Oxidationsmittel in/an der Gleitebene begründet.The state, which is characterized by the inventive introduction of microencapsulated lubricants in plastified copper / graphite Brush material systems, is to be described as follows: When commutating the brushes to Cu commutators tre certain wear sizes of the brushes in Tangentialmaß, wherein microparticles are removed. Parallel to this run also chemical oxidation processes, which in the case of Auftre least significantly increased by brush fire. At the Brush fire becomes a plasma state of the ambient medium he testifies, in the course of which also oxygen in its nascent Form and into ozone is transferred and thus the existence stronger Oxidizing agent based in / on the slip plane.
Ein ruhiger kühler Lauf der Kommutierungspartner mindert diese Effekte und erhöht die Standzeiten des Kommutierungsapparates. Das ist die Maßnahme, die für den Niederohmbetrieb von Kommuta tormaschinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.A calm, cool run of the Kommutierungspartner reduces this Effects and increases the life of the commutation apparatus. That's the measure for the low-ohm operation of commuta The subject matter of the present invention is.
Ein Masseversatz zur Herstellung von niederohmigen Kommutie rungsbürsten wird wie folgt hergestellt:A ground offset for the production of low-resistance commutation brushes is made as follows:
Nach einer Trockenmischung der Grundmaterialien z. B. in einem Knetwellenmischer wird ein organisches Lösungsmittel in der Menge zugesetzt, daß nach einem weiterem Walkprozeß eine pastöse Mischung erzielt wird. Diese wird vermittels einer FREWITT-Gra nuliermaschine partikuliert. Nach Austreibung der Lösungsmittel phase erfolgt eine Siebung auf ein Kornband von 0,5 bis 1 mm.After a dry mix of the base materials z. In one Kneading mixer becomes an organic solvent in the Amount added that after a further Walk process a pasty Mixture is achieved. This is determined by means of a FREWITT-Gra nuliermaschine particulates. After expulsion of the solvents phase is carried out a screening on a grain size of 0.5 to 1 mm.
Die Formgebung erfolgt in üblicher Weise in Exzenterpressen mit Füllschuhbetrieb und Zuführung der Kontakt- bzw. Armierungsele mente vorzugsweise in Litzenform. Hierbei werden die Formele mente, wie Laufradien, Kantenbrüche und ggf. Kopfschrägen be reits durch das Werkzeug urgeformt.The shaping takes place in the usual way in eccentric presses Füllschuhbetrieb and feeding the contact or Armierungsele preferably in stranded form. Here are the formulas elements, such as running radii, edge breaks and possibly bevels already formed by the tool.
Die Aushärtung des Bindemittels zur Vermittlung der notwendigen mechanischen Bürstenparameter erfolgt im Umlufttrockenschrank bei ca. 155°C, wobei in Sonderfällen diese Prozeßführung in Stickstoffatmosphäre vorgenommen wird.The curing of the binder to impart the necessary mechanical brush parameters are carried out in the circulating air drying cabinet at about 155 ° C, in special cases, this process in Nitrogen atmosphere is made.
Es wird darauf hingewiesen, daß durch modifizierte thermische Prozesse am granulierten Grundmaterial ein positiver Einfluß auf geringe geometrische Toleranzen der Formkörper ausgeübt werden kann.It should be noted that by modified thermal Processes on the granulated base material have a positive influence exerted on low geometric tolerances of the moldings can be.
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DE19924204407 DE4204407A1 (en) | 1992-02-14 | 1992-02-14 | Low resistance commutator brushes - use an additive of micro encapsulated lubricant to allow a lower graphite content to be used |
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Also Published As
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DE4204407C2 (en) | 1993-03-18 |
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