WO2011036129A1 - Bürstenvorrichtung für eine elektrische maschine und herstellungsverfahren - Google Patents

Bürstenvorrichtung für eine elektrische maschine und herstellungsverfahren Download PDF

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WO2011036129A1
WO2011036129A1 PCT/EP2010/063837 EP2010063837W WO2011036129A1 WO 2011036129 A1 WO2011036129 A1 WO 2011036129A1 EP 2010063837 W EP2010063837 W EP 2010063837W WO 2011036129 A1 WO2011036129 A1 WO 2011036129A1
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brush
section
strand
profile cross
brush device
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PCT/EP2010/063837
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English (en)
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Inventor
Michael Bayer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Classifications

    • 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
    • H01R39/36—Connections of cable or wire to 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a brush device for an electric machine, in particular for a starter of an internal combustion engine, with a brush holder, with a housed therein brush with integrated strand, with a spring, with which the brush against a commutator can be biased.
  • the invention further relates to an electric machine, in particular a starter for an internal combustion engine, with a commutator and a brush device, wherein on the commutator brushes with at least one pair of brushes are arranged to run offset to each other, each brush is housed in a brush socket and In each brush a strand is integrated as an electrical line.
  • the invention further relates to a manufacturing method of a brush device for an electrical machine, wherein at least one strand for an electrical line is pressed into the brush. To start from an internal combustion engine are mechanically commutated
  • the current is conducted via one or more pairs of brushes via the commutator in the armature winding.
  • the brushes are made of a sintered material comprising copper and graphite components.
  • the carbon brushes and the commutator of the electrical machine used are subject to wear when starting the internal combustion engine and are designed for short-term operation with normally about 30-60,000 switching cycles.
  • the brush which is determined due to a conventionally predetermined space by a brush holder, to increase in their wear length, the functionality, that is, integration of a strand in the brush for electrical conduction should be maintained. It is thus an idea of the invention to take maximum advantage of the spatial limitations.
  • the integrated in the brush strand strand is formed with a flat profile cross section with respect to a length of the brush, the wear length of the brush comprises. Due to the fact that the profile cross-section of the strand decreases in relation to the wear length, the wear length is increased by this shortened cross-section, which can mean an additional life of, for example, more than 10%.
  • the ratio of length to width of the flat profile cross section of the strand is as large as possible.
  • Preferred ratios are at least 2: 1, more preferably greater than 3: 1 to 10: 1, or even greater ratios.
  • the profile cross-section is preferably formed angular. With a square profile cross-section creates both a long wear length at the Brush as well as an efficient, large profile cross-section for transporting a higher electrical power and heat over the strand.
  • the profile cross-section is preferably rectangular.
  • a rectangular profile is inexpensive and easy to produce and creates maximum space utilization. It is also conceivable to use a hexagon or another polygonal polygon as profile cross section.
  • the strand is formed oval in profile cross-section.
  • An oval profile cross-section has the advantage that the production of the strand is simple and inexpensive and is loaded evenly during operation of the material.
  • the strand is centered as possible with respect to at least one spring in the brush.
  • a centering of the strand has the advantage that the brush and the strand during operation can be evenly exposed to electrical stress and it does not lead to overuse and thus increased wear, for example due to heating edge areas.
  • the strand is formed with an enlarged, in particular split, profile cross-section.
  • the profile cross-section compared to conventional strands is increased. This improves the performance better.
  • the heat dissipation of the brush improves over strands with a larger profile cross-section.
  • the object is also achieved in an electrical machine in that the strand is formed flat in the profile cross-section.
  • the electrical machine thus has a longer life, because the wear length of the brush due to flat Strands is enlarged.
  • the strand is formed in the brush device with features described above.
  • the object is further achieved by a manufacturing method of a brush device in that the strand is pressed with a flat cross-section in the brush for a brush device described above split.
  • the splitting of the strand in the brush has the advantage that the strand made of fine mesh braided wires receives better hold over the life of the brush.
  • a split, flat-formed strand has the advantage that the cross-section is increased and thus the heat dissipation is improved. Improved heat dissipation reduces drag on the carbon brush, allowing the electric machine to operate more efficiently with higher power and longer run times.
  • Fig. 1 a) - c) each have a brush holder with a biased by a spring brush with integrated wire.
  • FIG. 1 a), b), c) each show a brush device 1 with a brush holder 2, in which a brush 3 is housed.
  • the brush 3 is biased by a spring 4 against a commutator 5 in an electric machine, not shown.
  • a strand 6 integrated with a round profile cross-section. The strand 6 is pressed in the brush 3.
  • the stranded wire 6 has a profile cross-section of, for example, 2.5 mm 2 .
  • the profile cross section is increased by splitting it into a profile 63.
  • the conventional The length of wear V la of the brush 3 thus extends from a contact surface 35 of the brush 3 which contacts a surface 53 of the commutator 5 to a lower point of the profile cross section of the strand 6.
  • the wear limit V a is indicated by a dotted line ,
  • FIG. 1 b) shows the brush holder according to FIG. 1 a) with the difference that the stranded wire 6 has an enlarged profile cross-section of, for example, 4 m 2 .
  • the profile cross section is increased to allow higher loads for longer running times with higher switching cycles in the electric machine with improved heat dissipation from the busts 3.
  • the disadvantage is that the wear length V Lb is reduced as shown in FIG. 1 b). The wear limit V b is thus closer to the surface 53 of the commutator 5 in the new state.
  • Fig. 1 c shows a brush device 1 according to the invention with a flat formed brush strand 3.
  • the brush strand 3 is preferably formed with a rectangular profile cross-section.
  • the ratio of the length L to the width B of the strand 6 is as large as possible, preferably at least 3: 1.
  • the stranded wire 6 has, as in FIG. 1 b), a profile cross section of approximately 4 mm 2 and additionally has the advantage that the wear length V L is greater than in FIGS. 1 a) and 1 b).
  • This additional wear length V Lc creates a lifetime increase of the brush device 1.
  • the service life increase can be achieved by more than 10%.
  • the flat-shaped strand 6 is arranged centrally to the spring 4. The strand 6 is compressed at a distance from the edge of the brush 3 so that the strand 6 sits stably in the brush 3.
  • the brush is sintered from copper and graphite parts.
  • the wear length V Lc of the brush 3 which results from the distance from the contact surface 35 of the brush 3 to the surface 53 from the commutator 5 to the end of the clean brush 3 in the radial direction to the wear limit V c , the life is advantageously increased, at the same time the brush device 1 in the electric machine, especially in a starter for an internal combustion engine for higher loads with longer maturities can be used.
  • the strand 6 is split into an enlarged profile 63 as shown in FIG. 1 c) both in the length L and in the width B in a special manufacturing process and then in FIG the brush 3 integrated and split split pressed. All figures show only schematic not to scale representations. Moreover, reference is made in particular to the drawings for the invention as essential.

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  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)

Abstract

Es wird eine Bürstenvorrichtung (1) für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Starter einer Brennkraftmaschine beschrieben, mit einer Bürstenfassung (2), mit einer darin untergebrachten Bürste (3) mit integrierter Litze (6), mit einer Feder (4), mit der die Bürste (3) gegen einen Kommutator (5) vorspannbar ist. Um eine lange Lebensdauer zu erzielen, ist die in der Bürste (3) integrierte Litze (6) mit einem flachen Profilquerschnitt bezüglich einer Länge der Bürste (3) ausgebildet ist, die die Verschleißlänge der Bürste (3) umfasst.

Description

Beschreibung
Titel
Bürstenvorrichtung für eine elektrische Maschine und Herstellungsverfahren Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bürstenvorrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Starter einer Brennkraftmaschine, mit einer Bürstenfassung, mit einer darin untergebrachten Bürste mit integrierter Litze, mit einer Feder, mit der die Bürste gegen einen Kommutator vorspannbar ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine elektrische Maschine, insbesondere einen Starter für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kommutator und einer Bürstenvorrichtung, wobei auf dem Kommutator Bürsten mit mindestens einem Bürstenpaar zueinander versetzt laufbar angeordnet sind, wobei jede Bürste in einer Bürsten- fassung untergebracht ist und in jeder Bürste eine Litze als elektrische Leitung integriert ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Herstellungsverfahren einer Bürstenvorrichtung für eine elektrische Maschine, wobei mindestens eine Litze für eine elektrische Leitung in die Bürste verpresst wird. Zum Starten von einem Verbrennungsmotor sind mechanisch kommutierte
Gleichstrommotoren im Wesentlichen im Einsatz. Der Strom wird über ein oder mehrere Bürstenpaare über den Kommutator in die Ankerwicklung geleitet. Die Bürsten sind aus einem Sinterwerkstoff hergestellt, der Kupfer- und Graphitanteile umfasst. Die Kohlebürsten sowie der Kommutator der eingesetzten elektri- sehen Maschine unterliegen beim Start der Brennkraftmaschine einem Verschleiß und sind für einen kurzzeitigen Betrieb mit normalerweise circa 30.- 60.000 Schaltzyklen ausgelegt.
Gegenwärtig gibt es Bestrebungen, einen Start-Stopp-Betrieb in Fahrzeugen zu integrieren. Somit wird der Starter für höhere Lasten und für längere Laufzeiten benötigt. Es ist Aufgabe der Erfindung eine Bürstenvorrichtung, eine elektrische Maschine und ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine hohe Lebensdauer bei erhöhter Belastung mit längerer Laufzeit von der elektrischen Maschine erzielt wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 , 7 und 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Es ist ein Gedanke der Erfindung die Bürste, die aufgrund eines herkömmlich vorgegebenen Baurraums durch eine Bürstenfassung festgelegt ist, in ihrer Verschleißlänge zu vergrößern, wobei die Funktionalität, das heißt Integration einer Litze in der Bürste für die elektrische Leitung beibehalten werden soll. Es ist somit ein Gedanke der Erfindung die räumlichen Begrenzungen maximal auszunützen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die in der Bürstenlitze integrierte Litze mit einem flachen Profilquerschnitt bezüglich einer Länge der Bürste ausgebildet ist, die Verschleißlänge der Bürste umfasst. Dadurch dass der Profilquerschnitt der Litze sich bezüglich der Verschleißlänge verkleinert, wird um diesen verkürzten Querschnitt die Verschleißlänge erhöht, was eine zusätzliche Lebensdauer beispielsweise von über 10 % bedeuten kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform um möglichst effizient den vorhanden Baurraum zu nutzen und die Verschleißlänge auf ein Maximalmaß zu vergrößern sowie gleichzeitig die Funktion der Litze beizubehalten, ist das Verhältnis von Länge zu Breite vom flachen Profilquerschnitt der Litze möglichst groß. Bevorzugte Verhältnisse sind mindestens 2:1 , weiter bevorzugt größer als 3:1 bis 10:1 oder noch größere Verhältnisse.
Um den vorhandenen Bauraum funktional sowohl für die Litze als auch für die Bürste effizient auszunützen, ist der Profilquerschnitt vorzugsweise eckig ausgebildet. Mit einem eckigen Profilquerschnitt schafft man sowohl eine große Verschleißlänge an der Bürste als auch einen effizienten, großen Profilquerschnitt zum Transport einer höheren elektrischen Leistung sowie Wärme über die Litze.
Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist bevorzugt der Profilquerschnitt rechteckig ausgebildet. Ein rechteckiges Profil ist kostengünstig und leicht herstellbar und schafft eine maximale Raumausnutzung. Es ist genauso auch denkbar ein Sechseck oder ein anderes polygonales Vieleck als Profilquerschnitt einzusetzen.
Es versteht sich, dass herstellungsbedingt oder zur Vereinfachung der Herstellung die Ecken vom Profilquerschnitt nicht scharfkantig ausgebildet sein müssen, sondern auch abgerundet sein können.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist die Litze im Profilquerschnitt oval ausgebildet. Ein ovaler Profilquerschnitt hat den Vorteil, dass die Herstellung der Litze einfach und kostengünstig ist sowie im Betrieb der Werkstoff gleichmäßiger belastet wird.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Litze möglichst zentriert bezüglich zumindest einer Feder in der Bürste ausgebildet. Eine Zentrierung der Litze hat den Vorteil, dass die Bürste und die Litze im Betrieb gleichmäßig einer elektrischen Belastung ausgesetzt werden können und es nicht zu einer Überbeanspruchung und somit einem erhöhten Verschleiß beispielsweise aufgrund Erhitzung von Randbereichen kommt.
Um eine höhere Belastung und eine längere Laufzeit mit höheren Schaltzyklen und höheren Strömen mit einer möglichst langen Laufzeit zu erzielen, ist die Litze mit einem vergrößerten, insbesondere aufgesplitteten, Profilquerschnitt ausgebildet. Erfindungsgemäß ist somit der Profilquerschnitt gegenüber herkömmlichen Litzen vergrößert. Damit wird die Leistung besser erhöht. Außerdem verbessert sich die Wärmeabfuhr der Bürsten über Litzen mit größerem Profilquerschnitt.
Die Aufgabe wird auch bei einer elektrischen Maschine dadurch gelöst, dass die Litze im Profilquerschnitt flach ausgebildet ist. Die elektrische Maschine weist somit eine längere Lebensdauer auf, weil die Verschleißlänge der Bürsten aufgrund von flachen Litzen vergrößert ist. Vorzugsweise ist die Litze in der Bürstenvorrichtung mit oben beschriebenen Merkmalen ausgebildet.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Herstellungsverfahren einer Bürstenvorrichtung dadurch gelöst, dass die Litze mit einem flachen Querschnitt in der Bürste für eine oben beschriebene Bürstenvorrichtung aufgesplittet verpresst wird. Die Aufsplittung der Litze in der Bürste hat den Vorteil, dass die Litze, die aus feinmaschigen geflochtenen Drähten hergestellt ist, einen besseren Halt während der Lebensdauer in der Bürste erhält.
Eine aufgesplittete, flach ausgebildete Litze hat den Vorteil, dass der Querschnitt vergrößert ist und somit die Wärmeabfuhr verbessert ist. Durch eine verbesserte Wärmeabfuhr sinkt der Widerstand an der Kohlebürste, so dass die elektrische Maschine effizienter mit einer höheren Leistung und längeren Laufzeiten betrieben werden kann.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 a) - c) jeweils eine Bürstenfassung mit einer durch eine Feder vorgespannten Bürste mit integrierter Litze.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Fig. 1 a), b), c) zeigen jeweils eine Bürstenvorrichtung 1 mit einer Bürstenfassung 2, in der eine Bürste 3 untergebracht ist. Die Bürste 3 wird von einer Feder 4 gegen einen Kommutator 5 in einer nicht dargestellten elektrischen Maschine vorgespannt. In der Bürste 3 ist zentriert zur Feder 4 eine Litze 6 mit einem runden Profilquerschnitt integriert. Die Litze 6 ist in der Bürste 3 verpresst.
Die Litze 6 hat einen Profilquerschnitt von beispielsweise 2,5 mm2. Der Profilquerschnitt ist durch eine Aufsplittung zu eine Profil 63 vergrößert. Die herkömm- liehe Verschleißlänge VLa der Bürste 3 erstreckt sich somit von einer Kontaktfläche 35 der Bürste 3, die mit einer Oberfläche 53 vom Kommutator 5 sich berührt, bis zu einem unteren Punkt vom Profilquerschnitt der Litze 6. Die Verschleißgrenze Va ist durch eine gepunktete Linie eingezeichnet.
Die Fig. 1 b) zeigt die Bürstenfassung entsprechend der Fig. 1 a) mit dem Unterschied, dass die Litze 6 einen vergrößerten Profilquerschnitt von beispielsweise 4 m2 aufweist. Der Profilquerschnitt ist vergrößert, um höhere Lasten für längere Laufzeiten mit höheren Schaltzyklen bei der elektrischen Maschine mit einer ver- besserten Wärmeabfuhr von den Büsten 3 zu ermöglichen. Der Nachteil ist, dass sich die Verschleißlänge VLb wie in der Fig. 1 b) gezeigt verkleinert. Die Verschleißgrenze Vb ist somit im Neuzustand näher an der Oberfläche 53 vom Kommutator 5.
Die Fig. 1 c) zeigt eine erfindungsgemäße Bürstenvorrichtung 1 mit einer flach ausgebildeten Bürstenlitze 3. Die Bürstenlitze 3 ist bevorzugt mit einem rechteckigen Profilquerschnitt ausgebildet. Bevorzugt ist das Verhältnis der Länge L zur Breite B der Litze 6 möglichst groß, bevorzugt mindestens 3:1 . Die Litze 6 hat wie in der Fig. 1 b) ein Profilquerschnitt von circa 4 mm2 und hat zusätzlich den Vorteil, dass die Verschleißlänge VL größer ist als in der Fig. 1 a) und 1 b). Diese zusätzliche Verschleißlänge VLc schafft eine Lebensdauererhöhung der Bürstenvorrichtung 1 . Je nach Größe der zusätzlichen Verschleißlänge kann die Lebensdauererhöhung um mehr als 10 % erzielt werden. Die flach ausgebildete Litze 6 ist mittig zu der Feder 4 angeordnet. Die Litze 6 ist in einem Abstand zum Rand der Bürste 3 integriert zusammengepresst, damit die Litze 6 stabil in der Bürste 3 sitzt. Dabei ist die Bürste aus Kupfer und Graphitanteilen gesintert.
Die Verschleißlänge VLc der Bürste 3, die sich aus dem Abstand von der Kontaktfläche 35 der Bürste 3 zur Oberfläche 53 vom Kommutator 5 bis zum Ende der reinen Bürste 3 in radialer Richtung bis zur Verschleißgrenze Vc ergibt, ist die Lebensdauer vorteilhafterweise erhöht, wobei gleichzeitig die Bürstenvorrichtung 1 in der elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Starter für eine Brennkraftmaschine für höhere Lasten mit längeren Laufzeiten einsetzbar ist. Zur Verbesserung der Leistung und der Wärmeabfuhr ist die Litze 6 wie in Fig. 1 c) gezeigt sowohl in der Länge L als auch in der Breite B in einem besonderen Herstellungsverfahren zu einem vergrößerten Profil 63 aufgesplittet und danach in der Bürste 3 integriert und aufgesplittet verpresst. Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerische Darstellungen für die Erfindung als Wesentlich verwiesen.

Claims

Ansprüche
1 . Bürstenvorrichtung (1 ) für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Starter einer Brennkraftmaschine, mit einer Bürstenfassung (2), mit einer darin untergebrachten Bürste (3) mit integrierter Litze (6), mit einer Feder (4), mit der die Bürste (3) gegen einen Kommutator (5) vorspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Bürste (3) integrierte Litze (6) mit einem flachen Profilquerschnitt bezüglich einer Länge der Bürste (3) ausgebildet ist, die die Verschleißlänge (VL ) der Bürste (3) umfasst.
2. Bürstenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge (L) zu Breite (B) vom flachen Profilquerschnitt der Litze (6) möglichst groß, insbesondere größer als 2:1 , besonders bevorzugt größer als 3:1 , ist.
3. Bürstenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (6) im Profilquerschnitt eckig ausgebildet ist.
4. Bürstenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (6) im Profilquerschnitt rechteckig, insbesondere mit abgerundeten Ecken ausgebildet ist..
5. Bürstenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (6) im Profilquerschnitt oval ausgebildet ist.
6. Bürstenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (6) möglichst zentriert zu mindestens einer Feder in der Bürste ausgebildet ist.
7. Bürstenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (6) mit einem vergrößerten, insbesondere auf- gesplitteten, Profilquerschnitt ausgebildet ist.
8. Elektrische Maschine, insbesondere Starter für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kommutator (4) und einer Bürstenvorrichtung (2), wobei auf dem Kommutator (4) Bürsten (3) mit mindestens einem Bürstenpaar zueinander versetzt laufbar angeordnet sind, wobei jede Bürste (3) in einer Bürstenfassung (5) untergebracht ist und in jeder Bürste (3) eine Litze (6) als elektrische Leitung integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (6) im Profilquerschnitt flach in der Bürstenvorrichtung (1 ), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ausgebildet ist.
9. Herstellungsverfahren einer Bürstenvorrichtung (1 ) für eine elektrische Maschine, wobei mindestens eine Litze (6) für eine elektrische Leitung in die Bürste (3) verpresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (6) mit flachem Querschnitt in der Bürste (3) für eine Bürstenvorrichtung (1 ) auf- gesplittet verpresst wird.
PCT/EP2010/063837 2009-09-23 2010-09-21 Bürstenvorrichtung für eine elektrische maschine und herstellungsverfahren WO2011036129A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5168620A (en) * 1990-11-15 1992-12-08 Westinghouse Electric Corp. Shunt attachment and method for interfacing current collection systems
DE29610353U1 (de) * 1996-06-13 1996-08-22 Deutsche Carbone Ag, 60437 Frankfurt Kohlebürste mit einem Stromableiter

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