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Kohlebürste Die Erfindung bezieht sich auf Bürsten, die mit elektrischen
Stromabnahme- und Zuführungseinrichtungen, insbesondere von elektrischen Maschinen
zusammenwirken und bezweckt, ihre Lebensdauer vier der anderen Teile des Gerätes
vergleichbar zu machen.
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Unter gewöhnlichen atmosphärischen Bedingungen können Motoren und
Generatoren und ähnliche elektrische :Maschinen, welche Kohle- oder Graphitkontaktglieder
in Verbindung mit entsprechenden Stromkollektoren aus Kupfer benutzen, über lange
"Zeiten zufriedenstellend arbeiten. Unter Betriebsbedingungen, die denen in großen
Höhen entsprechen, z. 13. Höhen von gooo bis 12 000 m und mehr und
bei einem Taupunkt von etwa -50° C, hat sich aber gezeigt, daß alle bekannten Kohle-
oder Graphitelektroden oder -bürsten sich außerordentlich schnell abnutzen und in
kurzer Zeit in Kohlestaub zerfallen. Diese Abnutzung der Bürsten wird allgemein
als Zerstäubung bezeichnet. Manchmal wird ein Bürstensatz schon nach wenigen Minuten
Betriebsdauer unbrauchbar.
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Andere ungünstige Betriebsbedingungen, die ebenfalls zur Zerstäubung
bzw. schnellen Abnutzung der Kohlebürsten führen, liegen z. B. bei Eisenbahnmotoren
vor, wo wegen des rauhen Betriebes und der schnellen Abnutzung ein häufiges Auswechseln
der Bürsten notwendig ist. Vielfach zerbröckeln bei
diesem Betrieb
die üblichen Bürsten in im Vergleich zur Zerstäubung größere Teilstücke.
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Beim Höhenflug hat es sich herausgestellt, daß die schnelle Abnutzung
und Zerstäubung der Bürsten ein ersthafter Begrenzungsfaktor ist. Gegenwärtig ist
es üblicherweise notwendig, nach kurzen Flügen in Höhen von gooo m und darüber die
Bürstensätze in jedem Teil der elektrischen Einrichtung vollständig durch neue zu
ersetzen. Längere Höhenflüge werden unsicher und können mitunter wegen des Zerfalls
der Kohlebürsten, die in den elektrischen Geräten des Flugzeuges benutzt werden,
nicht durchgeführt werden.
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Der Hauptgegenstand der Erfindung ist die Schaffung von Kohlebürsten,
welche in Verbindung mit einem metallischen Stromkollektor und bei in weitem Grenzen
der Temperatur und Feuchtigkeit veränderlichen atmosphärischen Bedingungen ohne
übermäßige Abnutzung oder Zerstäubung zufriedenstellend arbeiten.
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Die Erfindung besteht insbesondere in der Herstellung einer Kohlebürste,
die für den Schleifkontakt auf einer leitenden Metalloberfläche geeignet ist und
sieht die Verbindung eines porösen Kohle-oder Graphitkörpers mit einem praktisch
nicht hygroskopischen Metallhalogenidsalz vor, das in mindestens einen Teil des
porösen Körpers eingebracht wird.
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Die Erfindung wird noch näher erläutert in der nachfolgenden Beschreibung
an Hand einiger vorzugsweiser Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die
Zeichnung. Von dieser zeigt Fig. i eine Ansicht, teilweise im Schnitt, einer elektrischen
Maschine, Fig. 2 eine Ansicht einer Kohlebürste.
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Gemäß Fig. i ist io eine elektrische Maschine, z. B. ein Generator
für den Betrieb in Luftfahrzeugen, welche heute in Höhen von gooo bis 12 ooo m und
darüber fliegen. Die Einrichtung io umfaßt ein Gehäuse i2, das einen daran befestigten
Ständer 14 trägt. Innerhalb des Ständers 14 und auf einer Antriebswelle i9 angeordnet,
befindet sich der mit den üblichen Wicklungen für den elektrischen Strom versehene
Läufer 16. Für die Zwecke der Stromentnahme aus der Wicklung trägt der Läufer einen
Stromkellektor 18, der, wie dargestellt, aus einer Vielzahl von Kupferkommutatorsegmenten
besteht. Der elektrische Strom wird von dem Kollektor über die Kohlebürsten 2o abgenommen,
welche auf seiner Oberfläche einen schleifenden Kontakt herstellen. Die Kohlebürste
20 stützt sich mit Hilfe der im Bürstenkasten 24 untergebrachten Feder 22 gegen
den Kollektor 18 ab.
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Eine handelsübliche Bürste 2o aus Kohle oder Elektrographit, die auf
einem Kupferkollektor unter Höhenbedingungen entsprechend z. B. 12 00o m Höhe arbeitet,
würde sich übermäßig abnutzen. Eine Wolke feinen Kohlestaubes bildet sich durch
die Wirkung des Kollektors 18 auf die Bürste 2o. Die Erfahrung hat gezeigt, daß
die Abnutzung bzw. Zerstäubung unter solchen Bedingungen im Laufe des Betriebes
noch ansteigt. Selbst im Fall von Schleifringen mit einer anfangs hochpolierten
und gleichmäßigen Umfangsfläche hat die Einwirkung des Kupfers auf die üblichen
Bürsten unter diesen ausgeprägten Höhenbedingungen einen hohen Abnutzungsgrad zur
Folge. Man rechnet gewöhnlich mit einer Bürstenabnutzung von 2,5 mm je Stunde
in einer Höhe von jooo m. Bei größeren Höhen ist die Zerstäubung so stark, daß die
Bürsten nach wenigen Minuten Betriebszeit über das für zufriedenstellendes Arbeiten
zulässige Maß abgenutzt sind.
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Man fand, daß der Zerstäubungsgrad der Bürsten in starkem Maß von
dem über die Bürste fließenden Strom abhängt. Bei mäßigen Höhenbedingungen, entsprechend
etwa 6ooo m, kann eine an sich für maximalen Strom von Zoo A bestimmte Bürste für
viele Stunden mit 25 bis 5o A belastet werden, ohne daß eine mehr als gewöhnliche
Abnutzung eintritt.
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Bei Höhenbedingungen, entsprechend etwa 12 000 m, ist die Bürstenabnutzung
selbst bei ganz schwacher Belastung erheblich und bei voller Belastung regelmäßig
untragbar und die Lebensdauer der Bürste so gering, daß für den Betrieb von Luftfahrzeugen
große Gefahr besteht.
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Erfindungsgemäß werden Kohlebürsten oder -körper mit praktisch nichthygroskopischen
Halogeniden behandelt, um ihre Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung bei Verwendung
in elektrischen Maschinen in großer Höhe oder unter ähnlichen Verhältnissen zu erhöhen.
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Für die Zwecke der Erfindung geeignete Halogenide sind z. B. Bleijodid,
Kupferchlorid, Cadmiumjodid, Silberjodid, Cadmiumbromid und Kaliumjodid. Bürsten,
die mit praktisch nichthygroskopischen Metallhalogenidsalzen getränkt sind, ergeben
in elektrischen Maschinen auch unter schwierigsten Verhältnissen einen störungsfreien
Dauerbetrieb.
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Es scheint, daß unter gewöhnlichen atmosphärischen Bedingungen, d.
h. bei gewöhnlichem Druck und Wasserdampfgehalt, auf dem Stromkollektor sich ein
Kupferoxydfilm bildet. Es wurde gefunden, daß, wenn ein solcher Film sich bildet,
er als Schmiermittel wirkt und daß die Abnutzung der Kohle- oder Graphitbürsten
im Vergleich zur Abnutzung beim Fehlen eines Oxydfilms sehr herabgesetzt ist.
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Man nimmt an, daß, wenn die Bürsten mit Metallhalogenidsalzen getränkt
werden, beim Arbeiten auf Kollektoren in großen Höhen oder unter ähnlichen atmosphärischen
Bedingungen an der Kontaktstelle eine genügend hohe Temperatur entsteht, um die
Salze zu zersetzen, und daß ein Halogengas oder -dampf entweicht, der das Kupfer
angreift und daß sich so ein Kupfersalzfilm auf dem Kollektor bildet. Dieser Kupfersalzfilm
ist unter gewöhnlichen Bedingungen unbeständig und in Gegenwart von Luft, selbst
im Falle von gereinigter Luft, zerfällt er und läßt einen Kupferoxydfilm zurück,
welcher für die Kohlebürste nicht so zerstörend wirkt, wie nichtoxydiertes Kupfer.
Daher scheint ein Zusammenwirken zwischen den mit Metallhalogenidsalzen versehenen
Bürsten und dem kupfernen Kollektor vorzuliegen, welches eine erhöhte Lebensdauer
der Bürsten zur Folge hat. Die Erfindung bezweckt daher die Bildung eines dünnen
Oberflächenfilms von
Kupferoxyd, der für ein zufriedenstellendes
Zusammenarbeiten eines Kupferkommutators mit einer Kohlebürste erforderlich ist.
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Natürlich ist diese Theorie von der Wirkung der Salze in den Bürsten
lediglich eine Erklärung dessen, was wahrscheinlich stattfindet.
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Was auch immer die wirkliche Erklärung sein mag, so hat die Erfahrung
doch gezeigt, daß die Salze hervorragend geeignet sind, die übermäßige Abnutzung
und Zerstäubung erfolgreich herabzusetzen. Zum Beispiel konnte bei einer Kohlebürstensorte,
die unter Höhenbedingungen im gegebenen Fall eine Abnutzung von 1,78 mm je Stunde
aufwies, durch Behandlung mit Cadmiumjodid die Abnutzung auf weniger als 0,0127
mm je Stunde herabgesetzt werden.
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Verschiedene Verfahren des Aufbringens von Metallhalogenidsalzen auf
die Kohleelektrode sind zur Verwirklichung der Erfindung geeignet. Ein sehr wirkungsvolles
Verfahren die Bürsten zutränken besteht darin, sie entweder in eine stark konzentrierte
Lösung der Metallhalogenidsalze in Wasser oder in ein Metallhalogenidsalzbad einzutauchen.
Es hat sich gezeigt, daß elektrographitierte Bürsten ein poröseres Gefüge besitzen
als nichtgraphitierte Bürsten und diese Porösität begünstigt das Eindringen der
Salze beim Tränken von elektrographitierten Bürsten. Bürsten, bei denen Metalle
mit Graphit vermengt sind, sind nicht genügend porös, uni stets eine vollkommen
zufriedenstellende Tränkung mit geschmolzenen Metallhalogenidsalzen oder deren Lösungen
zu ermöglichen. Leichter ist es, elektrographitierte Bürsten zu tränken.
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In F ig. 2 der Zeichnung ist eine Bürste 2o dargestellt, bei welcher
die Erfindung angewendet ist. An der Bürste 20 ist ein biegsamer Kupferleiter 21
befestigt, um den Strom von einem geeigneten Anschluß der Bürste zuzuführen oder
von ihr abzunehmen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann die Bürste 20,
nachdem sie für den Gebrauch zurechtgeschnitten ist, mit einem Metallhalogenidsalz
behandelt werden, um in einen gewissen Teil von ihr eine bestimmte Menge Metallhalogenidsalz
einzubringen. Es können aber auch graphitierte Kolileplatten mit einem Metallhalogenidsalz
getränkt werden, bevor sie zu Bürsten zurechtgeschnitten sind.
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Bei einem weiteren Herstellungsverfahren der Bürste 2o kann ein Metallhalogenidsalz
in Wasser oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel gelöst werden, und zwar stark
konzentriert bzw. mit hohem Metallhalogenidsalzgehalt. Eine Kohlebürste wird so
lange in die starke Salzlösung eingetaucht, bis die Lösung genügend in die Poren
der Bürste eingedrungen ist. Nach Herausnahme der Bürste aus der Lösung und nach
Erhitzung, um das Wasser oder das sonstige Lösungsmittel durch Verdampfen zu entfernen,
wird sich eine gewisse Menge des Metalllialogeiiidsalzes in den Poren der Bürste
abgelagert haben. Der Vorgang kann wiederholt werden, falls erforderlich, bis genügend
Metallhalogenidsalz in die Bürste eingebracht ist. Derartig hergestellte Bürsten
arbeiteten in Verbindung mit einem rotierenden Kollektor aus Kupfer unter erschwerten
Bedingungen und mit sehr zufriedenstellender Unterdrückung der Zerstäubung.
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Um eine größere Menge Salz der Bürste etwas schneller und wirtschaftlicher
zuzuführen, hat sich die Benutzung von geschmolzenem Metallhalogenidsalz häufig
als vorteilhafter herausgestellt. Zum Beispiel können Kohlebürsten eine Stunde lang
in geschmolzenes Cadmiumjodid eingetaucht werden, wobei sie genügend Cadmiumjodid
aufnehmen, um sie für den Betrieb unter den vorbeschriebenen großen Höhenbedingungen
geeignet zu machen. In dieser Weise mit Cadmiumjodid getränkte Bürsten arbeiteten
erfolgreich im Kontakt mit Kollektoren aus Kupfer bei Höhenbedingungen entsprechend
1200o m Höhe und bei einem Taupunkt von-5o° C während längerer Zeit, ohne daß eine
ersichtliche stärkere Abnutzung als bei Bodenbedingungen eintrat.
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Man kann die Bürsten herstellen, indem man Kohlematerial und Metallhalogenidsalze,
mit oder ohne Zusatz von Metall, wie Kupferpulver, in Formen bringt und auf Temperaturen
unterhalb der Verdampfungstemperaturen der verwendeten Metallhalogenidsalze erhitzt.
Dies letztere Verfahren ist insbesondere empfehlenswert zur Herstellung von Bürsten,
die nach vollständigem Backen ein nicht so poröses Gefüge besitzen wie elektrographitierte
Kohlen. Auch können Metallhalogenidsalze von hohem Schmelzpunkt oder geringer Löslichkeit
in Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser, besser in die Bürsten eingebracht werden, wenn
man sie dem Kohlepulver beimengt, zu einem Körper formt und einer Wärmebehandlung
unterzieht.
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Die Menge des stark nichthygroskopischen Metallhalogenidsalzes, die
für die Unterdrückung der Zerstäubung bei großen Höhenbedingungen erforderlich ist,
beträgt etwa io% des Bürstengewichtes. Mitunter wurden mehr als io% Gewicht mit
großem Erfolg benutzt. Bleijodid in einer Menge von 45 bis 50% des Bürstengewichtes
ergab eine Bürste, welche in einem weiten Bereich der Betriebsbedingungen wirksam
war mit einer Abnutzung von nur etwa i/iooo mm je Stunde. Bei geringeren Höhen werden
io% oder weniger Salzzusätze bereits gute Ergebnisse zeitigen.
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Metallhalogenidsalze brauchen nicht in die ganze Bürste 2o der Abb.
2 eingebracht zu werden, es genügt vielmehr, wenn nur der mit dem Kollektor im Eingriff
befindliche Teil 30 getränkt ist. Manchmal reicht es sogar aus, nur einer
Stirnfläche des Teiles 3o das Salz zuzuführen, ohne die ganze Dicke zu durchtränken.
Es empfiehlt sich, die volle Breite der Bürste zu durchtränken, damit die ganze
Oberfläche des Kollektors mit dem in der Bürste enthaltenen Metallhalogenidsalz
in Berührung kommt.
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Bei Anwendung in elektrischen Maschinen auf dem Boden halten Bürsten
mit nur wenigen Prozent Metallhalogenidsalzen nicht nur länger als unbehandelte
Bürsten, sondern ergeben noch weitere Vorteile. Versuche haben gezeigt, daß schon,
wenn nur ein Teil der gesamten Bürsten eines Kommutators Metallhalogenidsalz enthält,
die Vorteile der
Erfindung, nämlich die Unterdrückung der übergroßen
Abnutzung, ganz allgemein auch für die übrigen Bürsten des Kommutators eintreten.
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Untersuchungen im Eisenbahnbetrieb ergaben, daß übliche Bürsten bei
einem Standardmotor eine Lebensdauer von etwa 43 ooo km bei täglichem Einsatz aufwiesen.
Derartige Bürsten erhielten nun einen Zusatz von etwa 3% Bleijodid. Die Abnutzung
der so behandelten Bürsten war erheblich herabgesetzt und beträgt nach gegenwärtigen
Angaben die Lebensdauer von etwa i§3 ooo km.
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Bei einem andern Bahnmotor betrug die Abnutzung einer bestimmten Bürstensorte
1,6 mm auf i6oo km. Die gleiche Bürstensorte ergab nach Einbringen von 3% Bleijodid
eine Abnutzung von 1,6 mm auf 16 ooo km.
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Außer der Unterdrückung der Bürstenabnutzung und der entsprechend
selteneren Erneuerung der Bürsten ergeben sich bei Verwendung von mit Metallhalogenidsalzen
behandelten Bürsten noch weitere Vorteile. Motor- und Generatorkommutatoren und
-Schleifringe werden erheblich weicher und haben günstigere Betriebscharakteristiken
als Folge der Verwendung metallhalogenidsalzhaltiger Kohlen.
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Als Beispiel für die Verbesserung von Kollektoren mag erwähnt sein,
daß metallhalogenidsalzhaltige Bürsten gemäß der Erfindung bei einem Bahnmotor eingesetzt
wurden, dessen Kommutator zur Zeit des Einbaus sich in so schlechtem Zustande befand,
daß er eigentlich hätte ausgebaut werden müssen. Nach einigen iooo Betriebskilometern
wurde der Kommutator untersucht und es zeigte sich, daß er bedeutend besser geworden
war. Der Kommutator zeigte einen Kupferfilm, wie er bei gutem Arbeiten auftritt
und keine Spur von Ziehfeuer: Es bestand auch kein Unterschied an den Kontaktflächen
des Kommutators mit zwei Bürstenreihen, während vorher die entsprechenden Teile
des Kommutatorumfangs sich merklich unterschieden als Anzeichen der ungleichmäßigen
Stromverteilung.
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Straßenbahnen, Untergrundbahnen und andere Transporteinrichtungen
können für ihre Motoren Vorteil aus der Benutzung der Erfindung ziehen. Schnellaufende
Zündmaschinen und andere schnelllaufende elektrische Einrichtungen werden besser
mit Metallhalogenidsalz enthaltenden Bürsten arbeiten. Motoren von Werkzeugmaschinen,
z. B. solche zum Antrieb von Schrubbdrehbänken (Rauhbänken) können vorteilhaft mit
den beschriebenen Bürsten ausgerüstet werden. Weniger Wartung, Abschleifen und Ausbauen
von Kommutatoren und Schleifringen ist erforderlich, wenn in Verbindung mit ihnen
die erfindungsgemäßen Bürsten benutzt werden.
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Der Anteil an Metallhalogenidsalzen für das Arbeiten mit Kontaktflächen
elektrischer Maschinen liegt für die meisten Zwecke zwischen 2 und 8% des Gewichtes
der Bürsten. Mitunter zeigen Bürsten mit 0,7% Metallhalogenidsalz bereits gute Ergebnisse
im Vergleich zu Bürsten ohne Metallhalogenidsalze.
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Obwohl das Zusammenwirken zwischen den erfindungsgemäßen Bürsten und
dem Kollektor noch nicht restlos geklärt ist, so steht doch fest, daß durch dies
Zusammenwirken die Lebensdauer beider erhöht wird. Anscheinend erzeugt die vorliegende
Bürste in irgendeiner Weise einen vorteilhaften Überzug oder Film auf dem Kollektor.
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Ein oder mehrere der nachfolgenden Metallhalogenidsalze können mit
gutem Erfolg in die Bürsten eingebracht werden: Pb J2, Pb Br2, Pb C12, PbF2, Ca
F2, Cd F2, Mg F2, Cd J2 Cd Br2, Cd C12, Hg J2; Hg Br2, Cu2Br2, K j, Ag J. Mischungen
der Metallhalogenidsalze können in die Bürsten eingebracht werden und sind ebenso
wirksam wie ein einzelnes Salz.
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Je nach den Betriebsbedingungen kann ein Metallhalogenidsalz dem andern
vorzuziehen sein. Wenn z. B. die Bürsten bei hohen Temperaturen arbeiten, werden
Halogenide, die bei dieser Temperatur einen hohen Dampfdruck besitzen, in der Bürste
nicht so lange verbleiben, wie ein Halogenid mit geringerem Dampfdruck.
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Die praktische Erfahrung hat gezeigt, daß Metallhalogenidsalze unerwünscht
sind, welche aus der Atmosphäre soviel Feuchtigkeit aufsaugen, daß sie flüssige
Lösungen bilden. Die Gegenwart von Feuchtigkeit ist offenbar nicht unterstützend
für die durch die Erfindung erstrebte Wirkung. Ebenso sind hygroskopische Halogenide,
welche erhebliche Mengen von Feuchtigkeit absorbieren und ganz feucht werden, für
die Benutzung in Bürsten nicht geeignet.
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Derartige Metallhalogenidsalze können nämlich beim Einbringen in Bürsten
in manchen Fällen entgegengesetzte Ergebnisse Jiefern. Haben die Bürsten einige
Zeit gestanden, so wird die wässerige Lösung, die sich durch Absorption aus der
Atmosphäre gebildet hat, aus der Bürste entweichen. Unter diesen Umständen kann
die Bürste ungenügend Salz enthalten, um den gewünschten Zweck zu erfüllen. In anderen
Fällen kann die übermäßige Feuchtigkeitsaufnahme der Metallhalogenidsalze unerwünschte
physikalische Veränderungen im Bürstengefüge; insbesondere eine Ausdehnung durch
die Wasseraufnahme und daraus folgend ein Festklemmen und Festfrieren im Bürstenkasten
oder -halter hervorrufen. Ferner kann ein Aufweichen oder ein Zerfallen der Bürste
eihtreten.
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Einige hygroskopische Metallhalogenidsalze, wie z. B. Zinkchlorid,
sind bei Anwesenheit von Wasser stark korrodierend und würden in solcher Verbindung
die Bürstenhalter, Kommutatoren und andere Teile der elektrischen Maschine, mit
denen sie in Berührung kommen, weitgehend angreifen. Durch solche Metallhalogenidsalzlösungen
wird die elektrische Isolation unter Umständen sehr ungünstig beeinflußt. Bei der
Verwirklichung der Erfindung sollten daher derartige vermieden werden. Der benutzte
Ausdruck nichthygroskopisch soll weder Salze, die unter dem Einfluß der Luftfeuchtigkeit
flüssige Lösungen bilden, noch solche, die merkliche Mengen von Feuchtigkeit aufnehmen,
umfassen, sondern beide ausschließen.
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Beim Einbringen der Metallhalogenidsalze in die Kohlebürsten durch
Tränken mit dem geschmolzenen
| Salz sind die Viskosität des geschmolzenen Salzes, |
| seine Fähigkeit, die Kohle zu benetzen und die |
| Schmelztemperatur zu beachten. |
| 1>a (las metallische Radikal des Salzes vom |
| llalogen getreiiiit wird und im Körper der Kohle- |
| bürste verbleibt, ist es wünschenswert, Salze aus- |
| ztiw:ililen, deren metallisches Radikal keine schäd- |
| liche Zersetzung oder Reaktion mit der Atmosphäre |
| oder (lein Bürstenhalter hervorruft bzw. schädliche |
| Stoffe bildet. \Viilireiid z. B. sowohl Kaliumfluorid |
| als auch Kaliumjodid die Bürstenzerstäubung und |
| -almutzung weitgehend im Falle der beschriebenen |
| 1-IÖlienliedingtingen herabsetzen, bringen die bei der |
| Zersetzung des Salzes entstehenden Stoffe doch |
| einige geringfügige Unzulänglichkeiten mit sich, |
| insofern, als der Bürstenübergangswiderstandgrößer |
| wird und Funken auftreten. Es ist anzunehmen, daß |
| bei der Reaktion mit Sauerstoff und in Gegenwart |
| von Luftfeuchtigkeit das Metall ein Hydroxyd |
| bildet. welches die an sich gute Kommutation der |
| %1aschine stört. Andere Metalle, wie Blei, Cadmium |
| oder Silber, sind daher vorzuziehen, da sie keine un- |
| erwiiiischteii Nebenprodukte bilden. |
| Viele _Jodide, Chloride, Fluoride und Bromide |
| sind bei Bürsten wirlaain, so claß sich ihre Auf- |
| zählung erübrigt. Die Stoffe können je nach der |
| Herstellung oder anderen Bedingungen auf ver- |
| schiedene Weise aufgebracht werden. Wesentliches |
| Merkmal der Erfindung ist es, den Stoff so auf- |
| zubringen, (laß im Betrieb) eine Reaktion mit dem |
| Kupfer des Kollektors eintritt und dadurch die ab- |
| nutzende und zerstäubende Wirkung des Kollektors |
| auf die Bürsten aufgehoben wird. |