DE102008059478B4

DE102008059478B4 - Kohlebürste zur Übertragung hoher Ströme

Info

Publication number: DE102008059478B4
Application number: DE102008059478.4A
Authority: DE
Inventors: Henrik Neuweger; Hans Lippert; Thomas Weber; Andreas Reetz
Original assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Current assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2028-11-29
Also published as: EP2192660A2; EP2192660A3; EP2192660B1; US8847463B2; US20100133951A1; CN101783473A; DK2192660T3; AU2009233633B2; HUE027766T2; AU2009233633A1; ES2568500T3; DE102008059478A1

Abstract

Kohlebürste (10, 20) zur Übertragung hoher Ströme mit einem Anschlussteil (12) zum Anschluss eines elektrischen Leiters (19) und einem sich verbrauchenden Kontaktteil (11) mit einer zur Anlage an eine Kommutatoreinrichtung ausgebildeten Kontaktfläche (16), wobei der Anschlussteil und der Kontaktteil in einer quer zur Abnutzungsrichtung der Kohlebürste orientierten Schichtübergangzone (13) ineinander übergehend ausgebildet sind und einen einstückigen Formkörper bilden, wobei der Anschlussteil und der Kontaktteil unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, derart, dass ein Kohlenstoffanteil des Kontaktteils größer ist als der Kohlenstoffanteil des Anschlussteils und der Kontaktteil einen vom Anschlussteil abweichenden Metallanteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktteil (11) benachbart zur Schichtübergangszone (13) einen gegenüber einem mit der Kontaktfläche (16) versehenen Verbrauchsbereich (22) mit abweichender Zusammensetzung ausgebildeten Indikatorbereich (23) aufweist, der einen gegenüber dem Verbrauchsbereich abweichenden Metallanteil aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kohlebürste zur Übertragung hoher Ströme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Kohlebürsten der eingans genannten Art werden häufig auch als sogenannte „Industriekohlebürsten” bezeichnet und vor allem dort eingesetzt, wo über Kohlebürsten hohe Ströme übertragen werden, die nicht selten mehr als 20 Ampere/cm² Bürstenfläche betragen. Dabei werden derartige Kohlebürsten sowohl in Motoren als auch in Generatoren eingesetzt, wobei letzteres in zunehmendem Maße auch im Bereich von Windkraftanlagen der Fall ist.
Aufgrund der hohen übertragenen Leistungen ist es im Fall von Industriekohlebürsten besonders wichtig, dem Kohlenstoff in ausreichendem Maße metallische Anteile zuzusetzen, die zur Ausbildung möglichst geringer Übergangswiderstände beitragen, um insbesondere die durch den elektrischen Widerstand bedingte Aufheizung der Kohlebürsten möglichst gering zu halten. Hierzu hat es sich bewährt, die regelmäßig als Formkörper hergestellten Kohlebürsten aus einer Formpartikelzusammensetzung herzustellen, die zu einem den Kohlenstoffanteil überwiegenden Anteil aus einem geeigneten Metall, insbesondere Silber, bestehen. In der Praxis übersteigen dabei die Silberanteile der Industriekohlebürsten nicht selten 60% und mehr. Hierdurch ergeben sich für die Industriekohlebürsten unabhängig von den verfahrensspezifischen Herstellungskosten allein aufgrund der benötigten Silbermenge erhebliche Herstellungskosten.
Die bekannten Industriekohlebürsten werden als im Wesentlichen homogene Formkörper hergestellt, die sowohl in ihrem im Betrieb mit der Schleifringeinrichtung in Kontakt kommenden Kontaktteil als auch in ihrem Anschlussteil, an den der elektrische Anschlussleiter angeschlossen ist, eine gleich bleibende Zusammensetzung aufweisen. Im Ergebnis führt dies dazu, dass ein erheblicher Anteil des in der Kohlebürste vorhandenen Silbers, das sich im Kontaktteil zusammen mit dem Kohlenstoff während der Abnutzung der Kohlebürste verbraucht, im Anschlussteil vorhanden ist, wo die spezifischen Materialeigenschaften des Silbers, die im Zusammenwirken mit dem Kohlenstoff im Kontaktteil erforderlich sind, nicht benötigt werden. Vielmehr dient der Anschlussteil der Kohlebürste insbesondere zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit dem Anschlussleiter. Nach Verbrauch des Kontaktteils wird der Anschlussteil zusammen mit dem darin enthaltenen Silberanteil regelmäßig entsorgt.
Aus der bislang geübten Praxis ergibt sich, dass für die Herstellung der Industriekohlebürsten also insgesamt eine Silbermenge eingesetzt wird, die für den Betrieb der Kohlebürsten nicht notwendig ist.
Aus der DE 44 30 745 A1 ist eine Kohlebürste bekannt, die durch ein gleichzeitiges Einführen zweiter leitender Pulver in eine Form und anschließendes Sintern mit einem Anschlussteil und einem Kontaktteil ausgebildet wird. Der Anschlussteil kann aus einer Mischung von Graphitpulver und Kupferpulver oder vollständig aus Kupferpulver ausgebildet werden. Der Kontaktteil besteht aus Kupferpulver und Graphitpulver, wodurch aus der DE 44 30 745 A1 sämtliche Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt sind. Die DE 1 926 203 A beschreibt ebenfalls eine Kohlebürste mit einem Anschlussteil und einem Kontaktteil. Der Anschlussteil ist vollständig aus Kupfer oder Eisen ausgebildet, wobei der Kontaktteil aus Graphit und Kupfer mit weiteren Legierungsbestandteilen besteht.
Die DE 1 215 938 A betrifft eine Kohlebürste, die im Wesentlichen aus Silber und Graphit ausgebildet ist. Ein Silbergehalt kann zwischen 60 und 98% betragen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kohlebürste zur Übertragung hoher Ströme vorzuschlagen, die ein Erkennen eines Verbrauchs der Kohlebürste einfach ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Kohlebürste mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Kohlebürste zur Übertragung hoher Ströme weist einen Formkörper auf, der in seiner Zusammensetzung hinsichtlich der unterschiedlichen Funktionen der Bereiche der Kohlebürste differenziert zwischen dem Anschlussteil, der zum Anschluss eines elektrischen Leiters dient, und dem Kontaktteil, der zur kontinuierlichen Ausbildung eines Kontakts mit dem Material des Gegenkontaktteils bzw. der Schleifringeinrichtung dient und im Unterschied zu dem Anschlussteil durch Verbrauch für einen anschmiegenden Kontakt gegen das Material des Gegenkontakts sorgen muss.
Bei der erfindungsgemäßen Kohlebürste sind der Anschlussteil und der Kontaktteil in einer quer zur Abnutzungsrichtung der Kohlebürste orientierten Schichtüberganzzone ineinander übergehend ausgebildet und bilden einen einstückigen Formkörper mit unterschiedlicher Zusammensetzungen, die den unterschiedlichen Funktionen des Anschlussteils und des Kontaktteils angepasst sind. Demgemäß ist der Kohlenstoffanteil des Kontaktteils größer als der Kohlenstoffanteil des Anschlussteils, da der Kohlenstoff für die Ausbildung des gewünschten reibungsarmen Kontakts wesentlich ist. Neben dem Kohlenstoffanteil weist der Kontaktteil einen Metallanteil auf, der vom Metallanteil des Anschlussteils unterschiedlich ist, um die Metallanteile jeweils optimal auf die unterschiedlichen Funktionen des Metallanteils im Kontaktteil und im Anschlussteil abstimmen zu können. Somit kann für den Kontaktteil ein Metall gewählt werden, dass einerseits die Ausbildung eines gewünschten geringen Übergangswiderstandes ermöglicht, andererseits jedoch auch vergleichsweise wenig abrasive Eigenschaften hat, um die vorteilhaften Eigenschaften des Kohlenstoffs hinsichtlich der Ausbildung eines reibungsarmen Kontakts möglichst wenig zu beeinträchtigen. Für den Anschlussteil, der durch die Schichtübergangszone von dem sich verbrauchenden Teil der Kohlebürste getrennt ist und bei dem es demzufolge nicht auf den Verschleiß beeinflussende Eigenschaften ankommt, kann somit ein Metallanteil gewählt werden, der ohne Rücksicht auf seine abrasiven Eigenschaften einerseits eine ausreichende mechanische Festigkeit zur Erfüllung der mechanischen Verbindungsfunktion und andererseits eine gute elektrische Leitfähigkeit zur Herstellung der elektrischen Verbindung zum Anschlussleiter aufweist.
Die erfindungsgemäße Kohlebürste ist somit als eine Kohlebürste definiert, die durch die Schichtübergangszone Bereiche voneinander trennt, die jeweils unabhängig voneinander hinsichtlich der wesentlichen Funktionen der Bereiche optimierbar sind. Somit ist es auch möglich, den Silberanteil bei der erfindungsgemäßen Kohlebürste gegenüber der bekannten Kohlebürste dadurch erheblich abzusenken, dass der Silberanteil nur noch für den Kontaktteil notwendig ist. Demzufolge ist bei entsprechender Ausführung der erfindungsgemäßen Kohlebürste bei einer bis zum Erreichen der Schichtübergangzone abgenutzten Kohlebürste in dem verbleibenden, zu entsorgenden und im Wesentlichen lediglich aus dem Anschlussteil bestehenden Bürstenrest kein Silber mehr enthalten.
Erfindungsgemäß weist der Kontaktteil benachbart zur Schichtübertragungszone einen gegenüber einem mit der Kontaktfläche versehenen Verbrauchsbereich mit abweichender Zusammensetzung ausgebildeten Indikatorbereich auf, der einen gegenüber dem Verbrauchsbereich abweichenden Metallanteil aufweist. So ist unter Ausnutzung eines mehrschichtigen Aufbaus die Ausbildung einer Verbrauchs- bzw. Wartungsanzeige an der Kohlebürste möglich, ohne das besondere separate Kontakteinrichtungen vorgesehen werden müssten. Bei der Erfindung kann man sich einfach den vorteilhaften Effekt zu Nutze machen, dass aufgrund des vom Verbrauchsbereich abweichenden Metallanteils des Indikatorbereichs bei Ausbildung der Kontaktfläche im Indikatorbereich eine entsprechende Änderung des Widerstands der Fall ist. Diese Widerstandsänderung kann als Signal für die Notwendigkeit des Austauschs der Kohlebürste verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kohlebürste weist der Kontaktteil einen Metallanteil auf, der überwiegend aus Silber besteht und der Anschlussteil einen Metallanteil, der überwiegend aus Kupfer besteht. Hiermit ist eine hinsichtlich der Auswahl des jeweiligen Metalls für den Kontaktteil und den Anschlussteil optimierte Kohlebürste möglich.
Der Metallanteil im Kontaktteil kann je nach Anforderung an die Kohlebürste 50% oder mehr betragen. Der Metallanteil des Kontaktteils kann je nach Anforderung bis zu 100% aus einem Kupferwerkstoff oder einer Kupferlegierung bestehen.
Eine besonders hochfeste, selbst größten mechanischen Belastungen gerecht werdende Ausführungsform ist gegeben, wenn der Anschlussteil zu 100% aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
Unabhängig von der Ausbildung eines Indikatorbereichs an der Kohlebürste ist es in jedem Fall von Vorteil, wenn der Anschlussteil eine ebene Anschlussfläche zur Herstellung einer Lot- oder Schweißverbindung mit dem elektrischen Leiter aufweist, so dass ohne die Notwendigkeit besonderer Aufnahmeeinrichtungen am Anschlussteil eine einfache flächige Anbringung des Anschlussleiters durch eine Lot- oder Schweißverbindung möglich ist.
Nachfolgend werden anhand der Zeichnung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
Es zeigen:
1 eine Kohlebürste in einer ersten Ausführungsform;
2 die in 1 dargestellte Kohlebürste mit einer am Anschlussteil der Kohlebürste ausgebildeten Anschlussseite;
3 eine Kohlebürste gemäß der Erfindung;
4a bis 4c ein Verfahren zur Herstellung der in 1 dargestellten Kohlebürste.
1 zeigt eine Kohlebürste 10 mit einem Kontaktteil 11 und einem Anschlussteil 12, die jeweils aus einzelnen Formpartikeln 24, 25, 26 (4a) hergestellt sind und über eine Schichtübergangszone 13 einstückig miteinander verbunden sind. Die Herstellung der in 1 dargestellten Kohlebürste kann vermittels des nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4a bis 4c dargestellten Formpressverfahrens erfolgen, derart, dass durch geeignete Verdichtung die Kohlebürste 10 als Formstück ausgebildet wird, wobei sich in der Schichtübergangszone 13 eine lokal auf die Schichtübergangszone 13 beschränkte Durchdringung des Kontaktteils 11 mit dem Anschlussteil 12 infolge der Druckbeaufschlagung der Formpartikel der Kontaktteile 11 und 12 einstellt.
Der Kontaktteil 11 besteht im Falle des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels aus einem Gemenge von 60 Gewichtsprozent Silber und 40 Gewichtsprozent Kohlenstoff und wird in Richtung des in 1 durch den Pfeil angedeuteten Anpressdruck verbraucht. Der Anschlussteil 12 besteht im Falle des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der Kohlebürste 10 aus reinem Kupfer.
Der Kontaktteil 11 weist angrenzend an eine in 1 angedeutete Kontaktoberfläche 14 einer Kommutatoreinrichtung 15 eine Kontaktfläche 16 auf, die angeschmiegt angepasst an die Kontur der Kontaktfläche 14 ausgebildet ist.
2 zeigt eine im vorliegenden Fall durch die rückwärtige Stirnfläche des Anschlussteils 12 ausgebildete ebene Anschlussfläche 17, die zur Herstellung einer hier beispielsweise durch eine Lotverbindung 18 ausgebildeten elektrisch leitfähigen Verbindung des Anschlussteils 12 mit einem elektrischen Anschlussleiter 19 dient.
3 zeigt in eine Kohlebürste 20, die abweichend von der in 1 dargestellten Kohlebürste 10 einen Kontaktteil 21 aufweist, der benachbart zur Kontaktfläche 16 einen Verbrauchsbereich 22 und einen unmittelbar daran anschließenden, zur Schichtübergangszone 13 benachbarten Indikatorbereich 23 aufweist. Übereinstimmend mit der in 1 dargestellten Kohlebürste 10 schließt sich an die Schichtübergangszone 13 ein Anschlussteil 12 an.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Kohlebürste 20 unterscheidet sich der Indikatorbereich 23 vom Verbrauchsbereich 22 durch einen vergleichsweise geringeren Silberanteil.
Wie in den 4a bis 4c dargestellt, besteht eine Möglichkeit der Herstellung der Kohlebürste 10 darin, eine Formeinrichtung 27 umfassend ein Formwerkzeug 28 und eine Anzahl von Formstempeln 29 bis 31 zu verwenden, wobei zunächst beispielsweise durch einen Formschieber getrennte Formbereiche 33 und 34 mit den Formpartikeln 24, 25 und 26 entsprechend der gewünschten Materialzusammensetzung des Kontaktteils 11 und des Anschlussteils 12 befüllt werden. Beim Beispiel der Kohlebürste 10 bestehen die Formpartikel 24 aus Graphit, die Formpartikel 25 aus Silber und die Formpartikel 26 aus Kupfer.
Anschließend wird der Formschieber 32 aus dem Formwerkzeug entfernt (4b), so dass sich eine unmittelbarer Kontakt zwischen den im ersten Formbereich 33 angeordneten Formpartikeln 24, 25 und den im zweiten Formbereich 34 angeordneten Formpartikeln 26 unter Ausbildung der Schichtübergangszone 13 ergibt. Durch anschließende Verdichtung der Formpartikel 24, 25 und 26 vermittels des von oben abgesenkten Formstempels 31 wird schließlich die Kohlebürste 10 hergestellt (4c). Eine weitergehende Partitionierung, wie bei der in 3 dargestellten Kohlebürste 20, kann durch eine entsprechende Anzahl und Anordnung weiterer Formschieber im Formwerkzeug erfolgen.

Claims

Kohlebürste (10, 20) zur Übertragung hoher Ströme mit einem Anschlussteil (12) zum Anschluss eines elektrischen Leiters (19) und einem sich verbrauchenden Kontaktteil (11) mit einer zur Anlage an eine Kommutatoreinrichtung ausgebildeten Kontaktfläche (16), wobei der Anschlussteil und der Kontaktteil in einer quer zur Abnutzungsrichtung der Kohlebürste orientierten Schichtübergangzone (13) ineinander übergehend ausgebildet sind und einen einstückigen Formkörper bilden, wobei der Anschlussteil und der Kontaktteil unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, derart, dass ein Kohlenstoffanteil des Kontaktteils größer ist als der Kohlenstoffanteil des Anschlussteils und der Kontaktteil einen vom Anschlussteil abweichenden Metallanteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktteil (11) benachbart zur Schichtübergangszone (13) einen gegenüber einem mit der Kontaktfläche (16) versehenen Verbrauchsbereich (22) mit abweichender Zusammensetzung ausgebildeten Indikatorbereich (23) aufweist, der einen gegenüber dem Verbrauchsbereich abweichenden Metallanteil aufweist.
Kohlebürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktteil (11) einen Metallanteil aufweist, der überwiegend aus Silber besteht, und der Anschlussteil (12) einen Metallanteil aufweist, der überwiegend aus Kupfer besteht.
Kohlebürste nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktteil (11) zumindest zu 50 Gewichts-% aus Silber oder einer Silberlegierung und der Anschlussteil (12) zumindest zu 50 Gewichts-% aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
Kohlebürste nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussteil (12) zu 100 Gewichts-% aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
Kohlebürste nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussteil (12) eine ebene Anschlussfläche (17) zur Herstellung einer Lot- oder Schweißverbindung mit dem elektrischen Leiter (19) aufweist.