EP2543118A1 - Verfahren zur herstellung einer kohlebürste in einem kommutator - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer kohlebürste in einem kommutator

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EP2543118A1
EP2543118A1 EP11705211A EP11705211A EP2543118A1 EP 2543118 A1 EP2543118 A1 EP 2543118A1 EP 11705211 A EP11705211 A EP 11705211A EP 11705211 A EP11705211 A EP 11705211A EP 2543118 A1 EP2543118 A1 EP 2543118A1
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carbon brush
commutator
carbon
brush
carbon brushes
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Matthias Schick
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Robert Bosch GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/12—Manufacture of brushes
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a carbon brush in a commutator for power transmission in an electrical machine.
  • Commutators are used in electric motors for power transmission to the armature rotatably mounted in a stator and for current application in short-circuited armature coils.
  • the commutators consist of an armature-side collector and housing-mounted carbon brushes, which rest against the lateral surface of the rotating collector.
  • a carbon brush for a small motor which consists of a graphite powder, which is mixed with metal powder, compression-molded and then sintered. Such carbon brushes is added as metal content, for example copper.
  • the collector and the carbon brushes are subject to wear during operation.
  • the amount of wear must be designed according to the intended use.
  • electric starter motors in internal combustion engines are subject to relatively high loads and must ensure a high number of switching cycles without restricting functionality.
  • Due to the long service life of the carbon brushes care must be taken to ensure that removed material as well as a lubricating film built up on the collector are cleaned automatically.
  • different substances can be mixed into the carbon brushes, which ensure that the surface of the collector has a consistent, clean and at the same time lubricating surface.
  • coal have a relatively high number of pores made of a sintered material by design, through which the material is exposed to increased environmental influences, which can lead to material changes, in particular an increase in the electrical resistance of the carbon brushes.
  • the invention is based on the object to design carbon brushes in commutators with simple measures for a long service life.
  • the inventive method is used for producing a carbon brush in a commutator for power transmission in an electrical machine.
  • an application to electric starters for internal combustion engines into consideration which are designed system-based on a large number of start cycles.
  • start-stop systems in motor vehicles in which, for example, in a traffic light stop the engine automatically off and at a clutch or
  • Gear operation is automatically switched on again, a proper functioning of the commutator must be ensured over a long period of operation.
  • an anticipation of the change in the properties is achieved by the inventive method before the use of carbon brushes in the commutator until an at least approximately constant property level is reached and in use in the commutator no further, significant change in the carbon brushes is to be expected.
  • the process according to the invention thus anticipates the normal aging of the carbon brushes to a higher internal resistance. The performance characteristics of the electric machine in which the carbon brush is used are therefore not appreciable over the operating period
  • Another advantage of anticipating aging effects in the carbon brushes is the reduction of changes in the resistance system of the electric motor. If, for example, a starter is used in an electrical system of a motor vehicle, the anticipated aging of the carbon brushes also anticipates the increase in the specific resistance in the carbon brushes, with the result that the maximum retrieved current intensity is reduced by the starter, as a result of which the load on the carbon brushes is also reduced On-board network is reduced when switching on the starter. This is particularly advantageous for start-stop systems in vehicles in which low loads of the starter for the electrical system are required.
  • the artificial aging process to which the carbon brushes are subjected prior to the assembly of the commutator takes place according to the invention by a storage of the carbon brushes for a defined period of time at elevated temperature.
  • the carbon brushes are preferably stored in a temperature range between 120 ° and 280 °, wherein the storage period is preferably for a period of 24 h to 250 h.
  • the moisture can be taken into account during storage, with higher humidity the temperatures can be reduced.
  • the temperature is 42 ° and the relative humidity is 92%.
  • storage takes place, for example, at 200 ° C. for 150 h.
  • This specific electrical resistance provided by the carbon brush to perform the artificial aging increases in the course of use of the carbon brush in the electric motor not significant, so that even with no further change in electrical characteristics
  • the electrical but also the mechanical properties of the carbon brush are changed by the storage so that the artificial aging process anticipates the greatest proportion of the change in mechanical properties, so that in operation mechanical properties are no longer in egg
  • the increase in electrical resistivity can be measured and used to identify a carbon brush pretreated in the inventive manner.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a commutator in an electrical machine, consisting of an armature-side collector and two diametrically opposite, the collector surface area contacting carbon brushes.
  • the commutator 1 shown in FIG. 1 is used for power transmission and current application in electrical machines such as electric motors or motors. generators and is preferably used in starters for internal combustion engines. Such starters are designed for a high number of starting operations, especially in the case of motor vehicles, which are equipped with start-stop systems for automatically switching off and on of the internal combustion engine.
  • the commutator 1 comprises a cylindrical collector 2 which is rotatably connected to the armature of the electric machine, wherein the armature is rotatably mounted in a stator.
  • the commutator 1 further comprises carbon brushes 3, which abut in the embodiment shown diametrically opposite to the radially outer surface of the cylindrical collector 2 and a disc running surface on contact and transmit the electric current to the collector 2, which via a strand 4 in the respective Carbon brush 3 is passed.
  • the collector 2 can also be designed as a disc.
  • the collector 2 has a plurality of circumferentially separated segments 5, which are each electrically connected to armature coils. During a rotational movement of the armature and the collector 2 in the direction of rotation 6, the lateral surface of the collector slides along the facing end face of the carbon brushes 3, at the same time the power transmission from the carbon brushes 3 takes place on the segments 5 of the collector. 2
  • the carbon brushes 3 are subjected to anticipated aging to ensure that no aging effects during operation lead to a change in the commutator system.
  • the anticipated aging of the carbon brushes takes place before installation in the commutator, in that the carbon brushes, which are usually constructed as sintered components made of graphite and have copper components, are subjected to an artificial aging process in which the carbon brushes are stored for a defined period of time at elevated temperature , Storage takes place, for example, in a temperature range between 120 ° and 280 ° and over a period of, for example, 24 h to 250 h, with a longer storage in the case of a lower temperature and a shorter storage time in the case of a higher temperature.
  • moisturize the carbon brushes can be produced an artificial aging process, for example in a temperature range between 30 ° and 70 ° for a period of 24 hours to 160 hours and at a relative temperature. humidity of 70% to 95%. With higher relative humidity, generally lower temperatures are sufficient. For example, with a relative humidity of 92%, a storage temperature of 42 ° can be selected.
  • the copper components in the carbon brushes are oxidized, so that the copper oxide content increases significantly.
  • the increase is for example from 1, 1% to 2.9%.
  • the specific electrical resistance is increased by the artificial aging of a value range of for example 0.5 ⁇ to 0.9 ⁇ to a range of values after performing the artificial aging of, for example 1.1 ⁇ to 1 .5 ⁇ .

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste in einem Kommutator zur Stromübertragung in einer elektrischen Maschine wird die Kohlebürste nach ihrer Herstellung und vor dem Zusammenbau des Kommutators einem künstlichen Alterungsprozess unterzogen, bei dem die Kohlebürste für einen definierten Zeitraum bei erhöhter Temperatur gelagert wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste in einem Kommutator
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste in einem Kommutator zur Stromübertragung in einer elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Kommutatoren werden in Elektromotoren zur Stromübertragung auf den in einem Stator rotierend gelagerten Anker sowie zur Stromwendung in kurzgeschlossenen Ankerspulen eingesetzt. Die Kommutatoren bestehen aus einem ankerseiti- gen Kollektor und gehäusefesten Kohlebürsten, die an der Mantelfläche des rotierenden Kollektors anliegen.
Aus der DE 40 25 367 C2 ist eine Kohlebürste für einen Kleinmotor bekannt, die aus einem Graphitpulver besteht, das mit Metallpulver vermengt, druckgeformt und anschließend gesintert wird. Derartigen Kohlebürsten wird als Metallanteil beispielsweise Kupfer beigemengt.
Der Kollektor sowie die Kohlebürsten unterliegen im Betrieb einem Verschleiß. Die Höhe des Verschleißes muss dem Einsatzzweck entsprechend ausgelegt werden. Beispielsweise unterliegen elektrische Startermotoren in Brennkraftmaschinen verhältnismäßig hohen Lasten und müssen eine hohe Anzahl an Schaltzyklen ohne Einschränkung der Funktionalität gewährleisten. Aufgrund der langen Laufzeiten der Kohlebürsten muss darauf geachtet werden, dass abgetragenes Material sowie ein sich auf dem Kollektor aufbauender Gleitfilm selbsttätig gereinigt werden. Für eine ideale Reinigung der Oberfläche können in die Kohlebürsten verschiedene Substanzen eingemischt werden, die dafür sorgen, dass die Oberfläche des Kollektors einen gleich bleibenden, sauberen und zugleich schmierenden Belag aufweist. Zu beachten ist jedoch, dass insbesondere Kohle- bürsten aus einem Sinterwerkstoff bauartbedingt eine verhältnismäßig hohe Anzahl von Poren besitzen, durch die der Werkstoff erhöhten Umwelteinflüssen ausgesetzt ist, welche zu Werkstoffänderungen, insbesondere einer Erhöhung des elektrischen Widerstands der Kohlebürsten führen können.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Kohlebürsten in Kommutatoren mit einfachen Maßnahmen für eine lange Betriebsdauer auszulegen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Herstellung einer Kohlebürste in ei- nem Kommutator zur Stromübertragung in einer elektrischen Maschine eingesetzt. Hierbei kommt insbesondere eine Anwendung auf elektrische Starter für Verbrennungsmotoren in Betracht, welche systembedingt auf eine große Anzahl von Startzyklen ausgelegt sind. Insbesondere bei einem Einsatz in Start-Stopp- Systemen in Kraftfahrzeugen, bei denen beispielsweise bei einem Ampelhalt der Verbrennungsmotor selbsttätig ausgeschaltet und bei einer Kupplungs- oder
Gangbetätigung selbsttätig wieder eingeschaltet wird, muss über einen langen Betriebszeitraum ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Kommutatoreinrichtung sichergestellt sein. Um zu gewährleisten, dass sich die physikalischen Eigenschaften der Kohlebürsten im Kommutator, insbesondere die mechanischen und elektrischen Eigenschaften über einen langen Betriebszeitraum nicht negativ verändern, wird über das erfindungsgemäße Verfahren noch vor dem Einsatz der Kohlebürsten im Kommutator eine Vorwegnahme der Veränderung der Eigenschaften erreicht, bis ein zumindest annähernd konstantes Eigenschaftsniveau erreicht ist und im Einsatz in dem Kommutator keine weitere, signifikante Veränderung der Kohlebürsten zu erwarten ist. Über das erfindungsgemäße Verfahren wird somit die normale Alterung der Kohlebürsten auf einen höheren Innenwiderstand vorweggenommen. Die Leistungskennwerte der elektrischen Maschine, in der die Kohlebürste eingesetzt wird, erfahren daher über den Betriebszeitraum keine nennenswerte
Veränderung mehr. Ein weiterer Vorteil der Vorwegnahme von Alterungseffekten in den Kohlebürsten ist die Reduktion von Änderungen im Widerstandssystem des Elektromotors. Falls beispielsweise ein Starter in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, so wird durch die vorweggenommene Alterung der Kohlebürsten auch die Erhöhung des spezifischen Widerstandes in den Kohlebürsten vorweggenommen, mit der Folge, dass die maximal abgerufene Stromstärke vom Starter reduziert wird, wodurch auch die Belastung des Bordnetzes beim Einschalten des Starters herabgesetzt wird. Dies ist insbesondere für Start-Stopp-Systeme in Fahrzeugen vorteilhaft, in denen geringe Belastungen des Starters für das Bordnetz gefordert werden.
Der künstliche Alterungsprozess, dem die Kohlebürsten vor dem Zusammenbau des Kommutators unterzogen werden, findet erfindungsgemäß durch eine Lagerung der Kohlebürsten für einen definierten Zeitraum bei erhöhter Temperatur statt. Die Kohlebürsten werden vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 120° und 280° gelagert, wobei die Lagerungsdauer bevorzugt für einen Zeitraum von 24 h bis 250 h erfolgt. Als weitere Einflussgröße für den künstlichen Alterungsprozess kann die Feuchtigkeit während der Lagerung berücksichtigt werden, wobei mit höherer Luftfeuchte die Temperaturen herabgesetzt werden können. So ist es beispielsweise zweckmäßig, bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 70 % bis 95 % die Kohlebürsten einer Lagerung bei Temperaturen von 30° bis 70° für einen Zeitraum von 24 h bis 160 h auszusetzen. Beispielsweise beträgt die Temperatur 42° und die relative Luftfeuchtigkeit 92 %. Bei signifikant geringerer Luftfeuchtigkeit erfolgt die Lagerung beispielsweise bei 200° C für 150 h.
Unter den genannten Lagerbedingungen verändert sich das Gefüge der Kohlebürste. Hierbei werden Metallbestandteile im Material der Kohlebürste durch die speziellen Lagerungsbedingungen oxidiert, so dass sich ein entsprechendes Metalloxid in der Kohlebürste bildet, was zur Folge hat, dass der spezifische Widerstand der Kohlebürsten ansteigt. Als Metall wird vorzugsweise Kupfer in der Kohlebürste eingesetzt, welches durch die Lagerungsbedingungen oxidiert, so dass sich Kupferoxid in der Kohlebürste bildet, das für die Erhöhung des spezifischen Widerstandes der Kohlebürste verantwortlich ist. Der Anteil des Kupferoxids steigt durch die vorweggenommene Alterung signifikant an, beispielsweise um das etwa Dreifache des ursprünglichen Wertes, was in der Kohlebürste, welche der Lagerung unterzogen wurde, durch entsprechende Untersuchungen festgestellt werden kann. Typischerweise wird ein Anstieg des Kupferoxids von beispielsweise 1 .1 % auf 2.9 % erzielt. Innerhalb der Kohlebürste kommt sowohl eine Gleichverteilung des Anteils an Kupferoxid als auch eine ungleiche Verteilung in Betracht, insbesondere ein erhöhter Anteil des Kupferoxids im Bereich der Oberfläche der Kohlebürste mit abnehmendem Anteil zur Mitte der Kohlebürste hin.
Durch die vorweggenommene, künstliche Alterung steigt der spezifische elektrische Widerstand der Kohlebürste an, beispielsweise von einem Ausgangswertebereich von 0.5 μΟϊιη"ΐ*ΓΤΐ bis 0.9 μΟϊιη"ΐ*ΓΤΐ auf einen End- bzw. Zielwertebereich von 1 .1 μΟϊιη"ΐ*ΓΤΐ bis 1 .5 μΟΙιη"ΐ*η"ΐ . Dieser spezifische elektrische Widerstand, den die Kohlebürste nach Durchführen der künstlichen Alterung aufweist, steigt im Laufe des Einsatzes der Kohlebürste im Elektromotor nicht weiter signifikant an, so dass auch mit keiner weiteren Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Kohlebürste zu rechnen ist. Vorteilhafterweise werden durch die Lagerung nicht nur die elektrischen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften der Kohlebürste dahingehend geändert, dass über den künstlichen Alterungspro- zess der größte Anteil der Änderung der mechanischen Eigenschaften vorweggenommen wird, so dass sich im Betrieb die mechanischen Eigenschaften nicht mehr in einer signifikanten Weise ändern. Der Anstieg des spezifischen elektrischen Widerstands kann gemessen werden und zur Identifizierung einer in der erfinderischen Weise vorbehandelten Kohlebürste herangezogen werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurengeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, die eine perspektivische Darstellung eines Kommutators in einer elektrischen Maschine zeigt, bestehend aus einem ankerseitigen Kollektor und zwei diametral gegenüberliegenden, die Kollektormantelfläche kontaktierenden Kohlebürsten. Der in Fig. 1 dargestellte Kommutator 1 dient zur Stromübertragung und Stromwendung in elektrischen Maschinen wie beispielsweise Elektromotoren oder Ge- neratoren und wird bevorzugt in Startern für Verbrennungsmotoren eingesetzt. Derartige Starter sind auf eine hohe Anzahl von Startvorgängen ausgelegt, insbesondere im Falle von Kraftfahrzeugen, welche mit Start-Stopp-Systemen zum automatischen Aus- und Einschalten der Brennkraftmaschine ausgestattet sind.
Der Kommutator 1 umfasst einen zylindrischen Kollektor 2, der drehfest mit dem Anker der elektrischen Maschine verbunden ist, wobei der Anker drehbar in einem Stator gelagert ist. Der Kommutator 1 umfasst des Weiteren Kohlebürsten 3, die im gezeigten Ausführungsbeispiel diametral gegenüberliegend an der radial außen liegenden Mantelfläche des zylindrischen Kollektors 2 bzw. einer Scheibenlauffläche auf Kontakt anliegen und den elektrischen Strom auf den Kollektor 2 übertragen, welcher über eine Litze 4 in die jeweilige Kohlebürste 3 geleitet wird. Der Kollektor 2 kann gegebenenfalls auch scheibenförmig ausgeführt sein.
Der Kollektor 2 besitzt eine Vielzahl in Umfangsrichtung separierter Segmente 5, die jeweils mit Ankerspulen elektrisch verbunden sind. Bei einer Drehbewegung des Ankers und des Kollektors 2 in Drehrichtung 6 gleitet die Mantelfläche des Kollektors an der zugewandten Stirnfläche der Kohlebürsten 3 entlang, zugleich erfolgt die Stromübertragung von den Kohlebürsten 3 auf die Segmente 5 des Kollektors 2.
Die Kohlebürsten 3 sind einer vorweggenommenen Alterung unterzogen, um sicherzustellen, dass während des Betriebs keine Alterungseffekte zu einer Veränderung im Kommutatorsystem führen. Die vorweggenommene Alterung der Koh- lebürsten erfolgt vor dem Einbau in den Kommutator, indem die Kohlebürsten, welche üblicherweise als Sinterbauteile aus Graphit aufgebaut sind und Kupferbestandteile aufweisen, einem künstlichen Alterungsprozess unterzogen werden, bei dem die Kohlebürsten für einen definierten Zeitraum bei erhöhter Temperatur gelagert werden. Die Lagerung erfolgt beispielsweise in einem Temperaturbe- reich zwischen 120° und 280° und über einen Zeitraum beispielsweise von 24 h bis 250 h, wobei im Falle einer niedrigeren Temperatur eine längere Lagerung und im Falle einer höheren Temperatur eine kürzere Lagerzeit durchgeführt wird.
Möglich ist auch eine Feuchtlagerung der Kohlebürsten zur Erzeugung eines künstlichen Alterungsprozesses, beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 30° und 70° für einen Zeitraum von 24 h bis 160 h und bei einer relati- ven Luftfeuchtigkeit von 70% bis 95 %. Bei höherer relativer Luftfeuchtigkeit genügen grundsätzlich geringere Temperaturen. Beispielsweise kann bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 92 % eine Lagertemperatur von 42° gewählt werden.
Durch den künstlichen Alterungsprozess werden die Kupferbestandteile in den Kohlebürsten oxidiert, so dass der Kupferoxidanteil signifikant ansteigt. Der Anstieg erfolgt beispielsweise von 1 ,1 % auf 2,9 %.
Zugleich wird der spezifische elektrische Widerstand durch die künstliche Alterung von einem Wertebereich von beispielsweise 0.5 μΟϊιη bis 0.9 μΟϊιη auf einen Wertebereich nach Durchführen der künstlichen Alterung von beispielsweise 1.1 μΟΙιη bis 1 .5 μΟϊιη erhöht.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste in einem Kommutator (1 ) zur Stromübertragung in einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste nach ihrer Herstellung und vor dem Zusammenbau des Kommutators (1 ) einem künstlichen Alterungsprozess unterzogen wird, bei dem die Kohlebürste für einen definierten Zeitraum bei erhöhter Temperatur gelagert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste in einem Temperaturbereich zwischen 120° und 280° gelagert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste für einen Zeitraum von 24 h bis 250 h gelagert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste einer Feuchtlagerung bei Temperaturen von 30° bis 70° für einen Zeitraum von 24 h bis 160 h und einer relative Luftfeuchtigkeit von 70% bis 95% unterzogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur 42° und die relative Luftfeuchtigkeit 92 % beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste vor der künstlichen Alterung einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0.5 μΟΙιη bis 0.9 μΟΙιη aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste nach der künstlichen Alterung einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1 .1 μΟΙιη bis 1.5 μΟΙιη aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kohlebürste einen Kupferanteil aufweist
9. Kommutator zur Stromübertragung in einer elektrischen Maschine, mit einem ankerseitigen Kollektor und mindestens einer am Kollektor anliegenden Kohlebürste, die nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
10. Elektrische Maschine mit einem Kommutator nach Anspruch 9.
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