DE102010002536A1

DE102010002536A1 - Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste in einem Kommutator

Info

Publication number: DE102010002536A1
Application number: DE102010002536A
Authority: DE
Inventors: Michael Bayer; Matthias Schick
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2011-09-08
Also published as: WO2011107378A1; US20120313479A1; EP2543118B1; CN102782962A; EP2543118A1

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

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 ankerseitigen 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 Kohlebürsten 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 einem 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 μOhm·m bis 0.9 μOhm·m auf einen End- bzw. Zielwertebereich von 1.1 μOhm·m bis 1.5 μOhm·m. 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 Alterungsprozess 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 1 dargestellte Kommutator 1 dient zur Stromübertragung und Stromwendung in elektrischen Maschinen wie beispielsweise Elektromotoren oder Generatoren 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 Kohlebürsten 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 Temperaturbereich 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 relativen 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 μOhm·m bis 0.9 μOhm·m auf einen Wertebereich nach Durchführen der künstlichen Alterung von beispielsweise 1.1 μOhm·m bis 1.5 μOhm·m erhöht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4025367 C2 [0003]

Claims

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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste in einem Temperaturbereich zwischen 120° und 280° gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste für einen Zeitraum von 24 h bis 250 h gelagert wird.
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.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur 42° und die relative Luftfeuchtigkeit 92% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste vor der künstlichen Alterung einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0.5 μOhm·m bis 0.9 μOhm·m aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste nach der künstlichen Alterung einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1.1 μOhm·m bis 1.5 μOhm·m aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kohlebürste einen Kupferanteil aufweist
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.
Elektrische Maschine mit einem Kommutator nach Anspruch 9.