EP1861900B1 - Kohlebürste sowie verfahren zum beschichten einer kohlebürste - Google Patents

Kohlebürste sowie verfahren zum beschichten einer kohlebürste Download PDF

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EP1861900B1
EP1861900B1 EP06707484A EP06707484A EP1861900B1 EP 1861900 B1 EP1861900 B1 EP 1861900B1 EP 06707484 A EP06707484 A EP 06707484A EP 06707484 A EP06707484 A EP 06707484A EP 1861900 B1 EP1861900 B1 EP 1861900B1
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carbon brush
coating
conductive lacquer
metal
metal conductive
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Rainer Sperling
Martin Schwarzer
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Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/26—Solid sliding contacts, e.g. carbon brush
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/20—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush characterised by the material thereof

Definitions

  • the invention relates to a carbon brush, in particular intended for small engines, with a metal layer on a surface region of the carbon brush. Furthermore, the invention relates to a method for coating a carbon brush, in particular for coating at least one side surface of the carbon brush, with a metal layer.
  • a metal layer to one or more side surfaces of a carbon brush. This can be done galvanically or by pressing.
  • An electroless plating is also known for the coating of carbon brush by z. B. are introduced into a copper sulfate. Due to the different chemical potentials, a coating takes place.
  • the reducing agent required for chemical coppering is usually formaldehyde.
  • the metal preferably consists of copper, silver or silver-coated copper, the layer being formed by electroless plating.
  • the layer thickness itself can be between 1 .mu.m and 10 .mu.m.
  • the DE-A-103 44 717 refers to a carbon brush, which has a rear metal layer, which is connected to the material of the carbon brush by compression and subsequent ⁇ endes annealing.
  • a carbon brush is known, which is provided with the exception of the tread circumferentially with an electrically conductive layer which is oxidized on the outside.
  • a current flow between a power supply and a commutator is intended to be achieved by way of the electrically conductive intermediate layer between the carbon brush and the outer oxide layer.
  • the EP-A-1 315 254 refers to a carbon brush with a metal layer that is made in a chemical bath.
  • the present invention is based on the object to provide a carbon brush environmentally friendly and simple measures with a metal layer, which leads to a significant reduction in temperature during operation of the carbon brush.
  • the layer is intended to increase the service life of the carbon brush and to improve the efficiency of a motor equipped with a corresponding carbon brush, in particular a small motor.
  • the object is achieved by a carbon brush of the type mentioned above essentially in that the metal layer is a Metallleitlacktik which is heat treated especially at a temperature above normal operating temperature of the carbon brush.
  • a Metallleitlacktik such as silver or Kupferleitlacktik is applied to desired surface areas of the carbon brush except the tread to allow heat dissipation and thus cooling of the carbon brush.
  • a method for coating a carbon brush of the aforementioned type is characterized in that a metal conductive ink layer is applied to a surface region of the carbon brush to be coated and then the carbon brush at the temperature T is tempered, which is above normal operating temperature.
  • the carbon brush is tempered at a temperature T with T ⁇ 150 ° C, preferably 150 ° C ⁇ T ⁇ 250 ° C.
  • the heat treatment of the carbon brush over a time t with 30 minutes ⁇ t ⁇ 240 minutes, in particular 120 minutes ⁇ t ⁇ 240 minutes, should be performed.
  • the metal conductive ink layer itself can be applied by spraying, brushing, padding or rolling.
  • metal-conducting lacquer layer is dried or dried before being tempered at ambient temperature.
  • a carbon brush can be inexpensively provided with a metal layer, which leads to a desired heat dissipation.
  • the metal-conducting lacquer layer can be applied to, in particular, the opposite broad sides during the production process of the carbon brush, without the running surface of the carbon brush being coated, so that as a consequence the running-in behavior is not adversely affected.
  • a carbon brush 10 is shown in principle, which is particularly intended for small engines such as washing machines, vacuum cleaners, kitchen appliances, hair dryers, razors, toys and power tools for professionals and do-it-yourselfers.
  • the opposite broad sides 12, 14 of the cuboid rectangular in section having a rectangular shape carbon brush are provided with a Metallleitlacktik 16, 18 according to the graphic representation the heat dissipation takes place to the required extent.
  • the heat can be dissipated by the metal conductive ink layers 16, 18 via the carbon brush holder, if it is one made of metal, or via the air flowing past between the holder and the carbon brush.
  • the broad sides 12, 14, are preferably coated.
  • a silver or Kupferleitlack or mixtures thereof is used as Metallleitlack, wherein the Leitlack is preferably applied by tamping.
  • the Leitlack is preferably applied by tamping.
  • the Metallleitlack Mrs is applied with a thickness between 15 .mu.m and 2 .mu.m on average, due to unevenness of the carbon brush surface and areas may have thicknesses of 30 microns or more. Particularly good results can be achieved, however, if the layer 16, 18 covering the respective side surface 12,14.
  • the metal lacquer layer After application of the metal lacquer layer, it is dried or predried at ambient temperature, in order then to be heat-treated at a temperature which is above the normal operating temperature of the carbon brush 10.
  • tempering temperatures in the range between 150 ° C. and 250 ° C.
  • the duration of the heat treatment should be in the range between 30 minutes and 240 minutes, preferably between 120 minutes and 240 minutes.
  • the Silberleitlack should be based on acrylate resin base. Suitable solvents are acetates and butoxypropanes. The density of the silver conductive ink should be between 1.35 g / cm 3 and 1.55 g / cm 3 .

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  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kohlebürste (10) mit einer Metallschicht (16, 18) auf zumindest einem Oberflächenbereich (12, 14) der Kohlebürste. Um eine Metallschicht mit guten wärmeableitenden Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, wird vorgeschlagen, dass die Metallschicht eine Metallleitlackschicht (16, 18) ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kohlebürste, insbesondere bestimmt für Kleinmotoren, mit einer Metallschicht auf einem Oberflächenbereich der Kohlebürste. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Beschichten einer Kohlebürste, insbesondere zum Beschichten zumindest einer Seitenfläche der Kohlebürste, mit einer Metallschicht.
  • Um die Betriebstemperatur einer Kohlebürste zu reduzieren, ist es bekannt, auf eine oder mehrere Seitenflächen einer Kohlebürste eine Metallschicht aufzubringen. Dies kann galvanisch oder durch Äufpressen erfolgen. Auch ein stromloses Beschichten ist zur Beschichtung von Kohlebürste bekannt, indem diese z. B. in ein Kupfersulfatbad eingebracht werden. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Potentiale erfolgt eine Beschichtung. Das zum chemischen Verkupfern erforderliche Reduktionsmittel ist üblicherweise Formaldehyd.
  • Aus der DE-A-10 2004 016 149 ist eine metallbeschichtete Kohlebüste bekannt. Das Metall besteht dabei bevorzugterweise aus Kupfer, Silber oder silherbeschichtetem Kupfer, wobei die Schicht durch stromloses Beschichten gebildet wird. Die Schichtdicke selbst kann zwischen 1 µm und 10 µm betragen.
  • Die DE-A-103 44 717 bezieht sich auf eine Kohlebürste, die rückseitig eine Metallschicht aufweist, die mit dem Material der Kohlebürste durch Verpressen und anschlie-βendes Glühen verbunden wird.
  • Aus der JP-A-08 223 869 ist eine Kohlebürste bekannt, die mit Ausnahme der Lauffläche umfangsseitig mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist, die außenseitig oxidiert ist. Hierdurch soll gezielt ein Stromfluss zwischen einer Stromzuführung und einem Kommutator über die elektrisch leitende Zwischenschicht zwischen der Kohlebürste und der äußeren Oxidschicht erreicht werden.
  • Die EP-A-1 315 254 bezieht sich auf eine Kohlebürste mit einer Metallschicht, die in einem chemischen Bad hergestellt wird.
  • Nach der JP-A-2000-197 315 wird auf eine Kohlebürste eine Metallschicht durch elektrolytische Abscheidung aufgebracht.
  • Von Industriekohlebürsten her ist es bekannt, Stampflöcher mit einer Silberschicht auszukleiden, um den elektrischen Kontakt der einzubringenden Litze zu verbessern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kohlebürste umweltfreundlich und mit einfachen Maßnahmen mit einer Metallschicht zu versehen, die zu einer merklichen Temperaturerniedrigung beim Betrieb der Kohlebürste führt. Gleichzeitig soll die Schicht zur Erhöhung der Lebensdauer der Kohlebürste führen sowie den Wirkungsgrad eines mit einer entsprechenden Kohlebürste bestückten Motors, insbesondere Kleinmotors, verbessern.
  • Die Aufgabe wird durch eine Kohlebürste der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Metallschicht eine Metallleitlackschicht ist, die insbesondere bei einer Temperatur oberhalb normaler Betriebstemperatur der Kohlebürste wärmerehandelt ist.
  • Abweichend vom vorbekannten Stand der Technik wird eine Metallleitlackschicht wie Silber- oder Kupferleitlackschicht auf gewünschte Oberflächenbereiche der Kohlebürste mit Ausnahme der Lauffläche aufgetragen, um eine Wärmeableitung und damit Kühlung der Kohlebürste zu ermöglichen.
  • Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Kohlebürsten, die mit einer entsprechenden Metallleitlackschicht insbesondere auf ihren gegenüberliegenden Breitseiten beschichtet sind, eine Temperaturerniedrigung von 20 °C bis 30 °C gegenüber unbeschichteten Kohlebürsten bei gleichen Bedingungen aufweisen. Auch hat sich die Lebensdauer bei gleichzeitiger Verbesserung des Wirkungsgrads des Motors erhöht.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass die Metallleitlackschicht im Mittel eine Dicke d mit d ≥ 2 µm, insbesondere 30 µm ≥ d ≥ 2 um, vorzugsweise 6 um ≥ d ≥ 2 µm, aufweist.
  • Ein Verfahren zum Beschichten einer Kohlebürste der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass auf einem zu beschichtenden Oberflächenbereich der Kohlebürste eine Metallleitlackschicht aufgebracht wird und sodann die Kohlebürste bei der Temperatur T getempert wird, die oberhalb normaler Betriebstemperatur liegt. Insbesondere wird die Kohlebürste bei einer Temperatur T mit T ≥ 150°C, vorzugsweise 150°C ≤ T ≤ 250 °C, getempert. In Abhängigkeit von der Schichtdicke sollte die Wärmebehandlung der Kohlebürste über eine Zeit t mit 30 Minuten ≤ t ≤ 240 Minuten, insbesondere 120 Minuten ≤ t ≤ 240 Minuten, durchgeführt werden.
  • Die Metallleitlackschicht selbst kann durch Sprühen, Streichen, Tamponieren oder Walzen aufgetragen werden.
  • Besonders gute Ergebnisse lassen sich auch dann erzielen, wenn die Metallleitlackschicht vor dem Tempern bei Umgebungstemperatur getrocknet bzw. angetrocknet wird.
  • Mit entsprechenden Verfahren lassen sich insbesondere reproduzierbare Lackschichten mit einer mittleren Dicke D mit 15 µm ≥ D ≥ 2 µm, insbesondere 2 um ≥ D ≥ 6 µm, auf die Kohlebürste auftragen.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre kann kostengünstig eine Kohlebürste mit einer Metallschicht versehen werden, die zu einer gewünschten Wärmeableitung führt.
  • Großtechnisch wird zum Beschichten der Kohlebürste das Tamponieren bevorzugt, wodurch während des Herstellungsprozesses der Kohlebürste die Metallleitlackschicht auf insbesondere die gegenüberliegenden Breitseiten aufgetragen werden kann, ohne dass die Lauffläche der Kohlebürste beschichtet wird, so dass in Folge dessen das Einlaufverhalten nicht negativ beeinflusst wird.
  • 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 eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
  • In der einzigen Figur ist rein prinzipiell eine Kohlebürste 10 dargestellt, die insbesondere für Kleinmotoren wie für Waschmaschinen, Staubsauger, Küchengeräte, Haartrockner, Rasierapparate, Spielzeuge sowie Elektrowerkzeuge für Profis und Heimwerker bestimmt ist. Um die Betriebstemperatur zu reduzieren bei gleichzeitig erhöhter Lebensdauer der Kohlebürste und Verbesserung des Wirkungsgrads des Motors ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass entsprechend der zeichnerischen Darstellung die gegenüberliegenden Breitseiten 12, 14 der quaderförmigen im Schnitt eine Rechteckform aufweisenden Kohlebürste mit einer Metallleitlackschicht 16, 18 versehen sind, über die im erforderlichen Umfang eine Wärmeableitung erfolgt. Die Wärme kann von den Metallleitlackschichten 16, 18 über die Kohlebürstenhalterung, sofern es sich um eine aus Metall handelt, oder über die zwischen der Halterung und der Kohlebürste vorbeiströmende Luft abgeführt werden.
  • Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, nicht die Breitseiten 12, 14, sondern nur eine Seitenfläche oder sämtliche Seitenflächen oder nur Bereiche einer oder mehrerer Seitenflächen mit einer entsprechenden Metallleitlackschicht zu beschichten. Erwähntermaßen werden bevorzugterweise jedoch die Breitseiten 12, 14 beschichtet.
  • Als Metallleitlack wird insbesondere ein Silber- oder Kupferleitlack oder Mischungen dieser benutzt, wobei der Leitlack vorzugsweise durch Tamponieren aufgebracht wird. Hierdurch ist großtechnisch kostengünstig ein Beschichten möglich, wobei gleichzeitig sichergestellt ist, dass gezielt die Bereiche der Kohlebürste 10 beschichtet werden, die mit der Metallschicht versehen werden sollen. Andere Beschichtungsmöglichkeiten wie Streichen, Sprühen oder Walzen sind gleichfalls möglich. Allerdings muss dabei darauf geachtet werden, dass die Lauffläche 20 der Kohlebürste 10 nicht beschichtet wird, da andernfalls das Einlaufverhalten der Kohlebürste 10 beeinträchtigt werden könnte.
  • Bevorzugterweise wird die Metallleitlackschicht mit einer Dicke zwischen 15 µm und 2 µm im Mittel aufgetragen, wobei durch Unebenheiten der Kohlebürstenfläche bedingt auch Bereiche Dicken von 30 µm oder mehr aufweisen können. Besonders gute Ergebnisse lassen sich jedoch erzielen, wenn die Schicht 16, 18 flächig die jeweilige Seitenfläche 12,14 abdeckt.
  • Herstellungstechnisch ist vorgesehen, dass nach Auftragen der Metalllackschicht diese bei Umgebungstemperatur getrocknet bzw. vorgetrocknet wird, um sodann bei einer Temperatur wärmebehandelt zu werden, die oberhalb üblicher Betriebstemperatur der Kohlebürste 10 liegt.
  • Unter Zugrundelegung üblicher Kleinmotoren sind daher Tempertemperaturen im Bereich zwischen 150 °C und 250 °C bevorzugt anzugeben. Die Dauer der Wärmebehandlung sollte im Bereich zwischen 30 Minuten und 240 Minuten, vorzugsweise zwischen 120 Minuten und 240 Minuten liegen.
  • Wird eine Silberleitlackschicht zur Beschichtung der Kohlebürste 10 benutzt, so zeichnet sich der verwendete Silberleitlack durch nachstehende Materialeigenschaften aus:
    • Bezüglich des zu verwendenden Silberleitlacks ist anzumerken, dass der Silbergehalt beim Tamponieren zum Aufbringen der Schicht größer sein sollte als beim Streichen.
    • Unabhängig hiervon sollte der Silbergehalt zwischen 35 Gew.-% und 70 Gew.-% liegen. Der Silbergehalt beim Tamponieren kann zwischen 60 Gew.-% und 65 Gew.-% und der beim Streichen zwischen 38 Gew.-% und 42 Gew.-% liegen.
  • Ferner sollte der Silberleitlack auf Arcrylatharzbasis aufgebaut sein. Als Lösemittel kommen Acetate und Butoxypropane in Frage. Die Dichte des Silberleitlacks sollte zwischen 1,35 g/cm3 und 1,55 g/cm3 liegen.
  • Beim zu tamponierenden Silberleitlack sollte die Viskosität (D = 50s-1) zwischen 2000 mPas und 3000 mPas und bei zu streichendem Silberleitlack die Viskosität (D = 500s-1) zwischen 40 mPas und 50 mPas liegen.

Claims (14)

  1. Kohlebürste (10), insbesondere für Kleinmotoren bestimmt, mit einer Metallschicht (16, 18) auf zumindest einem Oberflächenbereich (12, 14) der Kohlebürste,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Metallschicht eine Metallleitlackschicht (16, 18) ist.
  2. Kohlebürste (10) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Metallleitlackschicht (16, 18) bei einer Temperatur T oberhalb normaler Betriebstemperatur der Kohlebürste (10) wärmebehandelt ist.
  3. Kohlebürste (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Metallleitlackschicht (16, 18) eine Silber- oder Kupferleitlackschicht ist.
  4. Kohlebürste (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Metallleitlackschicht (16, 18) im Mittel eine Dicke mit d ≥ 2 µm, insbesondere 30 µm ≥ d ≥ 2 µm, vorzugsweise 6 µm ≥ d ≥ 2 µm, aufweist.
  5. Kohlebürste (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwei Seitenflächen (12, 14) der Kohlebürste (10) beschichtet sind.
  6. Kohlebürste (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass gegenüberliegende Breitseitenflächen (12, 14) der vorzugsweise eine Quaderform aufweisenden Kohlebürste (10) beschichtet sind.
  7. Kohlebürste (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kohlebürste (10) in ihrer Lauffläche (20) metallleitlackschichtfrei ist.
  8. Verfahren zum Beschichten einer Kohlebürste (10), insbesondere zumindest einer Seitenfläche der Kohlebürste, mit einer Metallschicht (16, 18),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass auf einen zu beschichtenden Oberflächenbereich der Kohlebürste (10) eine Metallleitlackschicht (16, 18) aufgebracht wird und die Kohlebürste (10) anschließend bei einer Temperatur getempert wird, die oberhalb normaler Betriebstemperatur der Kohlebürste (10) liegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kohlebürste bei einer Temperatur T mit T ≥ 150 °C, insbesondere 150 °C ≤ T ≤ 250 °C, getempert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kohlebürste (10) über eine Zeit t mit 30 Minuten ≤ t ≤ 240 Minuten, insbesondere 120 Minuten ≤ t ≤ 240 Minuten, getempert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Metallleitlackschicht (16, 18) durch Sprühen, Streichen, Tamponieren oder Walzen auf die Kohlebürste (10) aufgetragen wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Metallleitlackschicht (16, 18) vor der Wärmebehandlung bei Umgebungstemperatur getrocknet oder vorgetrocknet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Metallleitlackschicht (16, 18) mit einer mittleren Dicke D mit 15 µm ≥ D ≥ 2 µm, insbesondere 2 µm ≤ D ≤ 6 µm, auf die Kohlebürste (10) aufgetragen wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Metallleitlack ein Silberleitlack und/oder ein Kupferleitlack verwendet wird.
EP06707484A 2005-03-18 2006-03-09 Kohlebürste sowie verfahren zum beschichten einer kohlebürste Expired - Lifetime EP1861900B1 (de)

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