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Kohlebürste für elektrische Maschinen Die Erfindung bezieht sich auf
gefonnte Kohlekörper für elektrische, Zwecke, insbesondere auf Koblebürsten für
elektrische Maschinen.. Da. die Eigenschaften der Kohlebürsten hinsichtlIcil Härte,
Dichte und Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung nicht bieliebig geändert werden
können-, ist bereits früher versucht worden, die- Eigenschaften der Kohllebürsten.
durch Einfügung fremder Bestandteile, wie z. B. metallischer Drähte oder Metallteilchen,
zu beeinflussen. Die Einlagerung dieser fremden Bestandteile bringt jedoch mannkfache
Schwierigkeiten beim Forrmen und Herstellen der Kohlebürsten mit 5ich. Bei Elektrographitbürsten,
die zur Graphitlerung einer Glühbehandlung bei Temperaturen bis zu 2ooo° C unterworfen
werden müssen, so daß die meisten Verunreinigungen sich verflüchtigen und als, Gase
entweichen, ist diese Beimengung völlig uhmöglich. Für bestimmte Zwecke ist es jedoch
erwunsidlit, Kohlekörper, wie z. B. Elektrographdtbürsi#en, herzustellen> die an
verschiedenen Stellen der Bürsten unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Beispielsweise
bring-en Bürsten, deren Eigenschaften sich von Punkt zu Punkt ändern, eine Verbesserung
im Betriebe eines Stromwenders mit sich.-Durch die Erfindung soll die Herstellung
einer Kohlebürste ermöglicht werden, die aus mehreren zusammenhängenden Schichten
besteht, die der Kohlebürste an verschiedenen Stellen unterschiedliche physikalische-
Eigenschaften verleihen. Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, daß die
Schichten sich hinsichtlich Größe und Anzahl der Poren dadurch voneinander unterscheiden,
daß sie durch Zusammenpressen verschledener.grüner Kohlemassen mit anschließender
Glühbehandlung gebildet sind. Die Schichtung ist dabei
so gewählt,
daß sich die Kohlebürste an ihren. vorderen und hinteren Teil verschieden ab. nutzt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der Beschreibung an Hand der Zeichnung
beschrieben.
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Fig. I ist eine Seitenansicht eines Bürstenpaares auf dem Stromwender
eines Motors. Fig. 2 ist eine Ansicht einer Kohlebürste, die aus zwei verschiedenen
Schichten besteht. Fig- 3 ist eine Ansicht einer Kohlebürste mit zwei verschiedenen
Schichten von verschiedenem Querschnitt.
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Fig.4 ist eine Ansicht einer aus drei verschiedenen Schichten zusammengesetzten
Kohlebürste.
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Fig. 5 ist eine Ansicht einer fünfschichtigen Kohlebürste.
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Fig- 6 ist ein Schnitt durch die Form zur Herstellung der Kohlekörper.
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Fig. 7 ist ein Querschnitt einer Bürste mit einem 'harten Kern und
einer großporigen Außenschicht.
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Fig. 8 ist ein Querschnitt einer Bürste, die für Motoren verschiedener
Drehrichtung bestimmt ist.
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Bekanntlich wird bei der Herstellung von Kohlekörpern, die als Kohlebürsten
Verwendung finden sollen, das Ausgangsmaterial , wie Ruß, Koks, Holzkohle, Graphit
und ähnliche kohlehaltige Stoffe, in entsprechender Zusammensetzung und Menge gemischt
und mit einem Bindemittel, wie z. B. Kohlenteer, Pech oder Harz, versetzt. Aus dieser
Mischung werden Stücke durch Zusammenpressen unter Druck geformt und durch eine
geeignete Hitzebehandlung verkokt. Die verkokten Stücke werden dann zerkleinert
und von neuem mit einem Bindemittel durchniLscht. Diese formbare Mischung ist unter
dem NamengrüneKohlemasse bekannt. Die grüne Kohleinasse von vorbestimmtem Feinheitsgrad
wird unter einem Druck von 7oo bis I4 ooo kg/cm2 in Platten gepreßt und bei einer
sorgfältig überwachten Temperatur von ungefähr I2oo°C verkokt. Nach dieser Hitzebehandlung
und dem Zurechtschneiden auf ihre Form 6ind die Platten fertig zum Gebrauch als
Bürs-ten und Widerstandsplatten für elektrische Zwecke.
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Zuweilen ist es erwünscht, die Kohle bei der Hitzebehandlung in die
graphitische Form überzuführen. Die Graphitierung der Platten Z,
wird durch
die Erhitzung der Platten bei der außerordentlich hohen Temperatur von I700 bis
2ooo° C erreicht. Diese Hitzebehandlung verwandelt mehr als 8olo der Kohle in den
graphitischen Zustand.
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In Fig. i ist ein Stromwender 22 Mit Zwei Kohlebürsten io dargestellt.
DieKohlebürsten io bestehen aus zwei Schichten I2 und I4, die sich hinsichtlich
ihres Widerstandesgegen Abnutzung beträchtlich unterscheiden. Der Teil I2 der Bürste
i o besteht in der Hauptsache aus feinen Kohleteilchen, die durch ein verkoktes
Bindemittel zusammengehalten werden. Zwischen den Kohleteilchein befinden sich nur
sehr kleine Poren, die durch die Verkokung des Bindemittels gebildet sind. Die Schicht
I4 der Bürste besteht gleichfalls aus Kohleteilchen und Poren. wie die Schicht 12-Zusätzlich
enthält die Schicht i4,jedocli eine große Anzahl von Höhlungen 16 von größerem Durchmesser
als die sonstigen Poren zwischen den Kohleteilchen. Diese Höhlunggen werden durch
ein Verfahren erzeugt, das noch näher an Hand der Fig. 6 erläutert wird.
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Dle Kohlebürsten io werden gegen die Kommutatorseginente mit Hilfe
der Federn iS gepreßt. Zuführungsleitungen 20 sind in üblicher Weise mit den Kohlebürsten
io verbunden. Die Drehrichtung des Stromwendcrs soll derart sein, daß jedes Segment,
das unter einer Bürste io vorbeiläuft, zuerst mit dem vorderen Teil der Schicht
I2 in Berührung kommt. Da die beiden Schichten sich verschieden abnutzen, wird der
größere Teil des Druckes durch die Federn auf die Schicht 12 und ein geringerer
Teil auf die Schicht I4 ausgeübt, so daß der Oberflächendruck auf den Stromivender
an der Schicht I2 höher ist als an der Schicht I4. Dies hat zur Folge, daß an der
Schicht I4 ein größerer Übergangsividerstand vorhanden ist als an der Schicht I2.
Beim Ablaufen des Stromwenders von der Bürste io bleibt die Schicht I4 mit dem Stromwender
bis zum letzten Teil der Bewegung in Berührung. Durch den, niedrige-' ren Anpreßdruck
und durch den höheren Widerstand zwischen dem Bürstenteil 14 und dem Stromwender
wird Diesel beim Ablauf i des Segments 22 von der Bürste weniger feuern und sich
erwärmen-, als wenn die Bürste aus einem gleichförmigen Material hcr,-#estellt wäre.
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In Fi-. 2 und «3 sind zwei Bürsten i o und 3o dargestellt,
in denen die Schichten verschiedener Porosität unterschiedlich ausgebildel- sind.
In beiden Ausführuiigsformen ist die Schicht 12 hart und besitzt zwischen den Kohleteilchen
gleichmäßig verteilte Poren, während die Schicht 14 zusätzlich i-leichMäßig verteilte
Höhlungen 16 enthält. Die Schichten 12und 14 derAusführungsform nachFig.2 sind an
allen Stellten gleich stark, so daß die Teillinie zwischen den beiden Schlichten
parallel zur Oberfläche des Bürstenkörpers verläuft. In Fig,. 3 liegt die
an der Stelle 32 ansetzende TeilUnie nicht parallel zu der Bodenfläche der
Bürst#e, so daß sichder Querschnitt der Schichten 12 und 14 von rechts nachlinks
verändert. Eine Bürste gemäß der Anordnung nach Fig. 3 ist besonders für
die Inp
betriehnahme neuer Stromwender geeignet. Die Bürste wird
dabei so aufgesetzt, daß die rechte Seite des in Fig. 3 dargestellten Kohlekörpers
auf dem Stromwender aufliegt, so daß anfangs die sich leichter einlaufende Schicht
I4 den größten Teil der Stromleitung übernimmt. Die Leitfähigkeit der Schicht I2
vergrößert die Leitfähigkeit der Bürste in demselben Maße, wie die Abnutzung fortschreitet.
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In den Fällen, wo die Eigenschaften der Bürste sich allmählich abstufen
sollen, kann die Bürste aus schichten aufgebaut werden, die sich hinsichtlich porosität
Härte und anderen Eigenschaften nur wenig unterscheiden.
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In Fig.4 ist eine dreiteiligiff Bürste 4o dargestellt, die sich aus
einer harten, kleinporigen Schicht I2, einer stärker porigen Schicht 42 und einer
großporigen Schicht 44 zusammensetzt. Die Bürste 4o der Fig. 4 kann für dieselben
Zwecke verwendet werden wie die Bürste i o der Fig. i.
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Fig. 5 zeigt eine Bürste 5o , die aus fünf Schichten hesteht, von
denen jede sich bezüglich ihrer Härte und Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung unterscheidet.
Die Schicht 52 der Bürste besteht aus Kohleteilchen, die nur durch kleine Poren
voneinander getrennt sind.
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Dieser Schicht wird zweckmäßig, wenn die Bürste nicht einer Hitzebehandlung
zur Graphitierung unterworfen wird, ein schmirgelndes Material, wie z. B. fein verteiltes
Aluminiumoxyd, beigemengt, um den Kommutator blank zu halten. Die nächste Schicht
I2 ist vom gleichen Typ wie die Schicht 52, enthält jedoch kein Schmirggelmittel.
Die nachfolgenden S chichten 5 4, 5 6 und 5 8 können aus einem Material hergestellt
werden, das dein in den Schichten I2 und 52 verwendeten entspricht. Der Anteil an
Höhlungen oder Poren I6 vergrößert sich in jeder Schicht und erreicht seinen Höchstwert
in der Schicht 58.
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Die Schichten in Fig. 4 und 5 unterscheiden sich voneinander nicht
nur hinsichtlich des Anteils an Poren, sondern auch hinsichtlich der Größe oder
Gestalt der Poren. je nach dem Verwendungszweck der Bürste können die Poren von
äußerster Feinheit bis zu der Größevon 3mm,odiermehr sich unterscheiden. Erwähnt
sei, daß die Poren, deren Abmessungen groß sind, eine beträchtliche Änderung in
denelektrischen und mechanischen Eigenschaften hervorrufen und gleichzeitig die
Abnutzung der Bürste bestimmen.
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Die Bildung der Poren wird. durch Einfügen feiner Teilchen eines Stoffes
in ffie grüne Kohlemasse bestimmt, der sich bei Erhitzung in ein Gas verwandelt.
Vorzugsweise sind solche Stoffe zu verwenden, die bei Ternperaturen unter 500' C
vergasen. Die Temperaturen, bei denen die beigemischten Stoffe ,in den gasförmigen
Zustand übergehen, sind so lange nicht kritisch, als diese unter der höchst auftretenden
Behandlungstemperatur liegen. Beispiele geeigneter Stoffe für die Zwecke der Einlagerung
in die grüne Kohlemasse sind Oxalsäure , Ammoniumcarbonat, depolymerisierbare Harze,
wie z.B. Polystyrol und Stoffe, die bei niedrigen Tempieraturen verdampfen, wie
z.B. Eisenchlorid. Teilchen irgendeines dieser Stoffe werden in vorhestimmter Größe
dergrünen Kohlemasse, beigemischt und für eine gleichmäßige Vierteilung gesorgt.
Darauf wird ein Bindemittel, wie z. B. Teer, Pech oder Harz, hinzugefügt, um eine
formbare Masse zu bilden.
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Die Herstellung der Kohlebürsten erfolgt mit Hilfe der in Fig.
6 schematisch dargestellten Vorrichtung6o, die aus einem Formkörper62 und
einem St#empt166 zusammengesetzt ist. Die Form 62 hat senkrechte Wände 64,
die die Größe der Platten bestirnmen. In diese Form wird eine Lage 12 ientsprechender
Dicke von der grünen, keine Beimengung enthaltenden Kohlemasse #eingebracht und
die Oberfläche der Schicht geglättet. Hierauf wird eine zweite Lage der grünen Kohlemasse
aufgebracht, die Teilchen vori den verdampfbar-en Stoffen iß enthält. Der Stempel
66 wird dann betätigt und das Material innerhalb der Form unter einen Druck
von 7oo bis r4ooo kg/ern2 gesetzt. Die gepreßten Platten werden dann aus der Form
entfernt und in einen Ofen gebracht, der für die Erzeugung einer genügend hohen
Temperatur geeignet ist, durch die die Teilchen des Stoffes 13 in der Schicht 14
zum Verdampfen und Entweichen gebracht werden. Im Anschluß daran wird die Kohleplatte
der üblich#en Hitzebehandlung bis auf i 2oo' C
unterworfen. Es ist jedoch
denkbar, die Verdampfung der die Poren bildenden Stoffe bei der Hitzebehandlung
mit durchzuführün-Nach der Hitzehehandlung kann diePlatte zur Graphitierung noch
bei einer höheren Temperatur geglüht werden. Dle Poren 16, die durch das Entweichen
der Stoffe 13 gebildet sind, bleiben auch bei der Graphitierungstemperatur
erhalten. Es hat sich gezeigt, daß die Grenze zwischen den Schichten 12 und 14 derart
ist, daß der Kahleblock mit Ausnahme der Unterschiede in seiner Struktur in der
Hauptsache gleichförmig ist, so. daß ein Ab-
lösen der Schichten nicht eintreten
kann. Die auf diese Weise erzeugten Platten können mit Hilfe einer, geeigneten Säge
in beliebiger Größe oder Gestalt einer Bürste oder eines anderen gewünschten Teils
geschnitten werden. Es ist notwendig, daß die gleiche grüne Kohlemasse für die Herstellung
der Schichten
I2 und I,4 benutzt wird, da auch verscHedenartige
grüne Kohlemasse, gut zusammenbackt, so daß die Eigenschaften der einzelnen Schichten
weitestgehendbeeinflußt iverden können.
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An Fig. 7 ist eine Bürste dargestellt, Blei der der innere Kern ein
dichtes Gefüge mit Poren unterhalb der Korngröße besitzt. Die äußere Schicht I4
besteht aus einer großporigen Kohlemasse, die in der beschriebenenArt erzeugt wird.
Die Bürste70 eignet sich besonders für Motoren mit wechselnder Drehrichtung. Ohne
Rücksicht auf die Drehrichtung verringert die porige Schicht das Feuern des Stromwenders
, ähnlich wie bei einer Bürste nach Fig. i.
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In Fig. 8 ist eine Bürste 8o dargestellt-, die gleichfalls für einen
Motor mit wechselnder Drehrichtung bestimmt ist. Der harte innere Teil I2 der Bürste
besteht nur aus feinen Kohleteilchen und kleinporigen Einschlüssen, so daß duieser
im Gegensatz zu der porigen Sclucht I4 eine gute Leitfähigkeit vom Kopf bis zum
Fuß der Bürste sicherstellt. Erwähnt sei, daß noch weitere Ausführungsfürmen denkbar
sind.