EP1481449A1 - Verfahren zur herstellung einer mehrschicht-kohlebürste - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer mehrschicht-kohlebürste

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EP1481449A1
EP1481449A1 EP03706598A EP03706598A EP1481449A1 EP 1481449 A1 EP1481449 A1 EP 1481449A1 EP 03706598 A EP03706598 A EP 03706598A EP 03706598 A EP03706598 A EP 03706598A EP 1481449 A1 EP1481449 A1 EP 1481449A1
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Rolf Heilmann
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Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
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Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
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Definitions

  • the present invention is based on the problem of further developing a method for producing a multi-layer carbon brush, which consists of at least two electrically conductive functional layers and an insulating layer running between successive functional layers, in such a way that manufacturing simplification takes place, the possibility also being created, to design the insulating layer without problems for the area of application of the multi-layer carbon brush to be produced.
  • Material properties such as porosity or friction values should also be easily adjustable.
  • a problem-free individual design of the thicknesses of the functional layers is to be made possible without the need for complex processing measures.
  • the problem is essentially solved in that the carbon material or the material containing this as filler and the electrically insulating material are introduced in powder form into a mold in the course of the layers of the multilayer carbon brush to be produced, then pressed and then heat-treated.
  • the insulating material should be introduced into the mold with a respective layer height in such a way that the insulating layer in the finished multilayer carbon brush has a thickness d of preferably 100 ⁇ m ⁇ d ⁇ 500 ⁇ .
  • the invention is characterized by a method for producing multilayer carbon brushes, each consisting of at least two electrically conductive functional layers made of carbon material and at least one insulating layer made of electrically insulating material, which runs between successive functional layers, by the method steps:

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Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht- Kohlebürste bestehend aus zumindest zwei ersten elektrisch leitenden Funktionsschichten aus Kohlenstoffmaterial und zumindest einer Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material, die zwischen aufeinanderfolgenden ersten Funktionsschichten verläuft.
Mehrschicht-Kohlebürsten, die aus Kohleriegeln und zwischen diesen verlaufenden Isolierschichten bestehen, werden häufig für kleinere reversierbare Motoren wie z. B. Waschmaschinenmotoren eingesetzt. Die Isolierschicht kann dabei aus einer Folie oder aus isolierendem Klebstoff bzw. synthetischem Harz, einem oder mehreren Pulverharzen bestehen. Durch den höheren Querwiderstand wird der Strom, der zwischen den beiden von der Kohlebürste überdeckten Lamellen eines Kommutators fließt, reduziert und somit die Kommutierung verbessert.
Die bekannten Mehrschicht-Kohlebürsten zuvor beschriebener Art werden üblicherweise derart hergestellt, dass zunächst temperaturbehandelte Kohlenstoffplatten zueinander ausgerichtet werden, um zwischen diesen sodann eine Folie einzubringen. Anschließend erfolgt eine mechanische Bearbeitung, eine Maßbearbeitung und Einbringen der Seile oder Litzen.
Es sind auch als Mehrschicht-Kohlebürste bezeichnete Kohlebürsten bekannt, bei denen die Schichten jeweils elektrisch leitend sind, jedoch gegebenenfalls unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Eine entsprechende Kohlebürste ist dem DE 91 06 977 Ul zu entnehmen. Die verschiedenen Schichten - auch Zonen genannt -, die unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufweisen, können dadurch ausgebildet werden, dass vor dem Pressen der Kohlebürsten nacheinander zwei Ausgangsschichten mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen in eine Pressform eingebracht und zusammen miteinander verpresst werden. Dabei kann eine Zone einen höheren Kupferanteil als die andere aufweisen.
Eine als Vielschicht-Schleifkontakt bezeichnete Kohlebürste nach der DE 44 30 745 weist Schichten auf, die jeweils aus leitendem Pulver bestehen. Zur Herstellung des Vielschicht-Schleifkontaktes werden in eine Form gleichzeitig zwei leitende Pulver eingefüllt, um nach einem Kompressionsschritt eine Wärmebehandlung durchzuführen. Neben dem Ausbilden von Schichten durch gleichzeitiges Einbringen von Pulver in eine Form können zusätzlich Schichten dadurch ausgebildet werden, dass elektrisch leitendes Pulver nacheinander der Form zugeführt wird.
In der DE-C-835 428 wird ein hochglanzpolierter Steinkohleformkörper als kunstgewerblicher Gegenstand und ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben. Hierzu wird in eine Pressform Kohle eingebracht, gepresst, zunächst vorgesintert und sodann spanabhebend bearbeitet, um vor dem Hochsintern den Körper mit öl- oder fetthaltigen Pasten zu überziehen bzw. zu tränken.
Aus der DE-C-636 540 ist ein Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Kohlebürsten bekannt. Fertige Kohleschichten werden glatt geschliffen und zwischen zwei fertige Kohleschichten dickflüssiges Kunstharz mit Isolierstoff angeordnet, um sodann die Kohleschichten in einem geeigneten Presswerkzeug einzuspannen, um eine Trocknung in einem Ofen zu ermöglichen. Ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtstoffes aus Kohlenstoff ist der DE 33 07 090 AI zu entnehmen. Zur Erzielung gewünschter Endkörper werden durch Pressen und Wärmebehandlung zwischen übereinander anordbaren Kohlenstoffschichten wie Koh- lestofffilzschichten Folien aus einem thermoplastischen Kunststoff angeordnet, um sodann gewünschten Drücken und Temperaturen ausgesetzt zu werden.
Die DE 199 02 938 AI bezieht sich auf eine Kohlebürste, die aus Abschnitten unterschiedlicher Stoffzusammensetzungen besteht. Die Kohlebürste wird dabei in einem Pressvorgang hergestellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste, die aus zumindest zwei elektrisch leitenden Funktionsschichten und zwischen aufeinanderfolgenden Funktionsschichten verlaufender Isolierschicht besteht, derart weiterzubilden, dass eine herstellungstechnische Vereinfachung erfolgt, wobei außerdem die Möglichkeit geschaffen werden soll, die Isolierschicht problemlos auf den Einsatzbereich der herzustellenden Mehrschicht-Kohlebürste auszulegen. Auch sollen Materialeigenschaften wie Porosität oder Reibwerte problemlos einstellbar sein. Ferner soll eine problemlose individuelle Auslegung der Dicken der Funktionsschichten ermöglicht werden, ohne dass aufwendige Bearbeitungsmaßnahmen erforderlich sind.
Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass schichtweise das Kohlenstoffmaterial oder dieses als Füllstoff enthaltendes Material und das elektrisch isolierende Material in Schichtverlauf der herzustellenden Mehrschicht- Kohlebürste entsprechender Reihenfolge jeweils in Pulverform in eine Form eingebracht, sodann gepresst und anschließend wärmebehandelt werden. Dabei sollte das isolierende Material mit einer jeweiligen Schichthöhe in die Form eingebracht werden, dass die Isolierschicht in der fertigen Mehrschicht-Kohlebürste eine Dicke d mit vorzugsweise 100 μm < d < 500 μ aufweist. Insbesondere zeichnet sich die Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung von Mehrschicht-Kohlebürsten jeweils bestehend aus zumindest zwei elektrisch leitenden Funktionsschichten aus Kohlenstoffmaterial und zumindest einer Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material, die zwischen aufeinanderfolgenden Funktionsschichten verläuft, durch die Verfahrensschritte aus:
- Herstellen einer Platte durch Einfüllen von herzustellenden Mehrschicht- Kohlebürsten entsprechenden Schichten aus Kohlenstoffmaterial oder dieses als Füllstoff enthaltendem Material jeweils in Pulverform und elektrisch isolierendem Material in Pulverform oder als Folie in eine Form,
- Pressen der in der Form vorhandenen Schichten zu der Platte, Wärmebehandlung der Platte und
Teilen der Platte in den Mehrschicht-Kohlebürsten entsprechende oder endkontur- nahe Größen.
Die Maßbearbeitung und das Einsetzen der Litze bzw. des Seils erfolgt in bekannter Weise.
Durch die erfϊndungsgemäße Lehre bedarf es bei der Herstellung des Massenartikels Schichtkohlebürste nur noch eines Wärmebehandlungsschrittes, um eine Vielzahl von Mehrschicht-Kohlebürsten herzustellen. Demgegenüber werden nach dem Stand der Technik entweder die aus Kohlenstoff bestehenden Platten getrennt voneinander hergestellt oder aber Kohlebürsten, die aus mehreren Schichten mit elektrisch leitenden Eigenschaften bestehen, werden, sofern die Ausgangsmaterialien zunächst in einer Form eingegeben werden, jeweils einzeln hergestellt.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass als elektrisch isolierendes Material synthetisches Harzpulver, organische oder anorganische Isolationsfolie wie Al O3-Folie, eine oder mehrere Pulverharze wie Phenol- oder Epoxydharze, Gewebefolie, Fasermatte, selbstklebende oder kleberaktivierte Folien oder Kombinationen dieser verwendet werden. Als bevorzugte Materialzusammensetzungen für die herzustellenden Mehrschicht- Kohlebürsten bzw. die Platten, aus denen erstere gewonnen werden, sind zu nennen: in etwa 50 Gew.-% Naturgraphit, in etwa 50 Gew.-% synthetischer Graphit, in etwa 25 Gew.-% Phenol- oder Epoxyd- oder Thermoplastharz in Pulverform, bis in etwa 40 Gew.-% Steinkohleteerpech, wobei letztere auf 100 Gew.-% Füllstoff, also Naturgraphit und synthetischen Graphit bezogen sind.
Die entsprechende Zusammensetzung in Pulverform wird sodann in gewünschtem Umfang schichtweise und durch das elektrisch isolierende Material getrennt in eine Pressform eingebracht und nach dem Pressen entweder ausgehärtet z. B. über in etwa 15 h bis zu einer Temperatur Tj von in etwa bis 200 °C oder geglüht bis zu einer Endtemperatur T2 von in etwa bis 600 °C.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste mit drei Funktionsschichten,
Fig. 2 einen Teil der Kohlebürste nach Fig. 1 ,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Form zur Herstellung von Platten und
Fig. 4 Mehrschicht-Platten zur Herstellung von Mehrschicht-Kohlebürsten.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht- Kohlebürste. Unter Mehrschicht-Kohlebürste wird dabei eine solche verstanden, bei der zwischen aus elektrisch leitendem Material bestehenden Funktionsschichten aus Koh- lenstoffmaterial oder dieses enthaltend - auch Kohleriegel genannt - eine Isolierschicht verläuft. Dabei umfasst die erfindungsgemäße Lehre die Herstellung von Mehrschicht- Kohlebürsten mit zwei oder mehr Funktionsschichten.
In Fig. 1 ist rein prinzipiell eine Mehrschicht-Kohlebürste 10 mit drei Kohleriegeln 12, 14, 16 dargestellt, die gegeneinander über Isolierschichten 18 elektrisch isoliert sind.
Die Kohleriegel 12, 14, 16 sowie die Isolierschichten 18 verlaufen senkrecht zur Lauffläche 20 der Kohlebürste. Von der Lauffläche 20 gegenüberliegender Fläche 22 geht ein Stampfkontakt 24 mit Seil bzw. Litze 26 aus. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Bauarten von Mehrschicht-Kohlebürsten zuvor beschriebener Art verwiesen.
Zur Herstellung von Mehrschicht-Kohlebürsten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die die einzelnen Schichten 12, 14, 16, 18 bildenden Materialien nacheinander in der gewünschten Schichtreihenfolge in ein Gesenk 28 einer Pressvorrichtung 30 eingebracht werden. In dem Gesenk 28 ist ein Stempel 32 verstellbar angeordnet, um im gewünschten Umfang das Gesenk 28 mit verschiedenen Materialien zu füllen. Nach dem Einfüllen des jeweiligen eine Schicht bildenden Materials wird mittels eines Schiebers 34 überschüssiges Material entfernt. Nachdem in das Gesenk 28 schichtweise die gewünschten Materialien einerseits aus Kohlenstoff und andererseits aus elektrisch isolierendem Material eingebracht worden sind, erfolgt im Ausfuhrungsbeispiel über einen Stempel 36 ein Verpressen der Schichten. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Querschnitt des Gesenks 28 derart ist, dass sich eine Mehrschichtplatte 38 ergibt, die nach Entfernen aus dem Gesenk 28 und Wärmebehandlung in gewohnter Weise in Abschnitte 40, 42, 44 unterteilt wird, deren Abmessungen denen der herzustellenden Mehrschicht-Kohlebürsten entsprechen. Sodann erfolgt eine Maßbearbeitung der Abschnitte 40, 42, 44 und Einsetzen des Seils in gewohnter Weise.
Die in Fig. 4 dargestellte Platte 38 besteht aus den aus Kohlenstoffmaterial bestehenden Funktionsschichten 46, 48, zwischen denen die aus elektrisch isolierendem Material bestehende Schicht 50 verläuft. Wird die Isolierschicht 18, 50 vorzugsweise durch Pressen von Pulvermaterialien gewonnen, so besteht auch die Möglichkeit, zwischen den einzelnen aus Kohlenstoffmaterial bestehenden Schichten eine Folie aus elektrisch isolierendem Material anzuordnen, die zusammen mit dem Kohlenstoffmaterial oder dieses enthaltend in dem Gesenk 28 verpresst wird.
Bei dem Einsatz von Folien kommen in Frage: anorganische oder organische Folien wie z.B. Al2O -Folie, Gewebefolien oder Fasermatten, selbstklebende oder kleberaktivierte Folien. Dabei müssen die Folien gegebenenfalls aktiviert werden.
Durch die erfindungsgemäße Lehre besteht die Möglichkeit, auf einfache Weise Mehrschicht-Kohlebürsten herzustellen, bei denen Isolierschichten gewünschte Dicken aufweisen. Hierzu ist es nur erforderlich, im gewünschten Umfang in die Pressform 30 Isolierschichtmaterial gewünschter Höhe einzufüllen. Dabei sollten jedoch in einem Umfang Isoliermaterial eingefüllt werden, das nach Verpressen der Materialien die Isolierschicht eine Dicke zwischen 100 μm und 500 μm aufweist.
Unabhängig hiervon können durch z. B. Füllgrad oder Pressparameter gewünschte Materialeigenschaften der einzelnen Schichten wie Porosität problemlos eingestellt werden.

Claims

PatentansprücheVerfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebϋrste
1. Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste (10) bestehend aus zumindest zwei elektrisch leitenden Funktionsschichten (12, 14, 16) aus Kohlenstoffmaterial und zumindest einer Isolierschicht (18) aus elektrisch isolierendem Material, die zwischen aufeinanderfolgenden Funktionsschichten verläuft, d ad u rc h ge k enn ze i ch n e t, dass schichtweise das Kohlenstoffmaterial oder dieses als Füllstoff enthaltendes Material und das elektrisch isolierende Material in Schichtverlauf der herzustellenden Mehrschicht-Kohlebürste (10) entsprechender Reihenfolge jeweils in Pulverform in eine Form (28) eingebracht, sodann gepresst und anschließend wärmebehandelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d adurc h gekennze i chnet, dass das isolierende Material mit einer jeweiligen Schichthöhe in die Form (28) eingebracht wird, dass die Isolierschicht in der fertigen Mehrschicht-Kohlebürste (10) eine Dicke d mit vorzugsweise 100 μm < d < 500 μm aufweist.
3. Verfahren zur Herstellung von Mehrschicht-Kohlebürsten bestehend jeweils aus zumindest zwei elektrisch leitenden Funktionsschichten (46, 48) aus Kohlenstoffmaterial und zumindest einer Isolierschicht (50) aus elektrisch isolierendem Material, die zwischen aufeinanderfolgenden ersten Funktionsschichten verläuft, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
- Herstellen einer Platte (38) durch Einfüllen von herzustellenden Mehrschicht- Kohlebürsten entsprechenden Schichten aus Kohlenstoffmaterial oder dieses als Füllstoff enthaltendem Material jeweils in Pulverform und elektrisch isolierendem Material in Pulverform oder als Folie in eine Form (28),
- Pressen der in der Form vorhandenen Schichten zu der Platte (38),
- Wärmebehandeln der Platte (38) und
- Teilen der Platte in den Mehrschicht-Kohlebürsten entsprechende oder end- konturnahe Größen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u rch g ek enn ze i ch n et, dass als elektrisch isolierendes Material synthetisches Harzpulver, organische oder anorganische Isolationsfolie wie Al2θ3-Folie, eine oder mehrere Pulverharze wie Phenol- oder Epoxydharze, Gewebefolie, Fasermatte, selbstklebende oder kleberaktivierte Folien oder Kombinationen dieser verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u rch g ek enn ze i chn e t, dass als elektrisch leitendes Ausgangsmaterial für die elektrisch leitende Funktionsschicht Naturgraphit, synthetisches Graphit sowie Harz wie Phenolharz und/oder Pech verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-5, d adurch gekennze i chn et, dass als Ausgangsmaterial in etwa 50 Gew.-% Naturgraphit und in etwa 50 Gew.-% synthetisches Graphit sowie in etwa 25 Gew.-% Harz wie Phenolharz oder in etwa 40 Gew.-% Pech verwendet werden, wobei sich das Harz bzw. das Pech auf 100 Gew.-% Füllstoff in Form des Naturgraphits und des synthetischen Graphits beziehen.
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