DE10359896A1

DE10359896A1 - Kohlebürste sowie Verfahren und Werkstoff zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10359896A1
Application number: DE10359896A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Bachauer; Christian Dr. Böttger
Original assignee: Hoffmann and Co Elektrokohle AG
Current assignee: Hoffmann and Co Elektrokohle AG
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-21
Also published as: ES2297520T3; EP1702390A1; CN1902792A; US20060260436A1; DE502004005669D1; EP1702390B1; ATE380408T1; JP2007515146A; WO2005064756A1

Abstract

Kohlebürste mit einem aus Kohlewerkstoff durch Pressen und ggf. Sintern hergestellten Grundkörper und einer an einer Außenfläche des Grundkörpers durch Pressen und ggf. Sintern aufgebrachten Schicht aus einem metallischen Werkstoff, wobei die Metallschicht durch Schweißen oder Löten mit einem metallischen Träger verbindbar ist.

Description

Kohlebürsten für elektrische Motoren oder Generatoren müssen an einer Halterung befestigt sein, die für den nötigen Anlagedruck am Kommutator oder dgl. sorgt und die dem Verschleiß der Kohlebürste entsprechende Nachführbewegung ermöglicht. Ein wegen seiner Einfachheit, Kostengünstigkeit und niedrigen Gewichts besonders geeigneter Träger für die Kohlebürste ist eine Blattfeder, die zusätzlich zur Funktion der Halterung und Führung auch die Funktion der Stromübertragung übernehmen kann. Es stellt sich aber das Problem der Befestigung der Kohlebürste an der Blattfeder derart, dass einerseits die erforderliche mechanische Festigkeit im Dauerbetrieb und andererseits die Übertragung hoher Ströme gewährleistet ist.

Aus DE 102 07 406 A1 ist eine Kohlebürste gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, die an einer als Träger dienenden Blattfeder durch Schweißen oder Löten befestigt ist und zu diesem Zweck an der mit dem Träger zu verbindenden Fläche verzinnt, vernikkelt oder in sonstiger Weise metallisiert ist.

Aus DE 40 40 002 A1 ist eine Kohlebürste für einen Benzinpumpenmotor bekannt, die an einer als Träger dienenden Blattfeder angelötet ist und zu diesem Zweck eine lötbare Schicht aufweist, die aus einer Kupferschicht und einer auf dieser aufgebrachten Zinnschicht besteht. Mit derartigen Metallisierungen bzw. in der Regel galvanisch aufgebrachten Metallschichten ist es jedoch schwierig, eine Löt- oder Schweißverbindung zwischen Kohlebürste und Blattfeder herzustellen, die eine für den Dauerbetrieb ausreichende mechanische, thermische und elektrische Belastbarkeit aufweist. Insbesondere ist der Spannungsausgleich zwischen der Kohlebürste und der Blattfeder aufgrund des unterschiedlichen Elastizitätsmodus und thermischen Ausdehnungskoeffizienten problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kohlebürste sowie ein Verfahren und einen Werkstoff für ihre Herstellung anzugeben, die eine einfache, mechanisch und elektrisch hoch belastbare Verbindung mit einer Blattfeder ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe ist in den Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden näher und anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Es ist kommerziell interessant, Kohlebürsten mit Blattfedern zu verschweißen, weil damit eine Verbindung realisiert werden kann, mit der hohe Ströme von mehr als 15 A übertragen werden können. Dies würde es erlauben, auch Motorbauarten auf diese kostengünstige Bauart umzustellen, die wegen zu hoher Anforderungen bezüglich der Stromstärke beim Blockiertest oder auch im Dauerbetrieb bisher nicht nach diesem Konzept gefertigt werden konnten. Motoren dieser Art, bei denen die Kohlebürste bei kleinen Abmessungen hohe Ströme übertragen muss, sind z.B. Stellantriebe in Kraftfahrzeugen wie z.B. Antriebe für Fensterheber, Sitzverstellungen, Schiebedächer, Spiegelverstellungen und dgl.

Erfindungsgemäß ist eine Kohlebürste vorgesehen, die neben dem üblichen, ein- oder mehrschichtigen Grundkörper aus gepresstem und gesinterten Kohlewerkstoff mindestens eine Außenschicht aus metallischem Werkstoff aufweist, die die Schweiß- oder Lötbarkeit der Kohlebürste sicherstellt, wobei diese Metallschicht ebenfalls durch Pressen und Sintern hergestellt und mit dem Grundkörper verbunden ist.

Für das Schweißen oder Löten einer Kohlebürste muss ein geeignetes Schweißverfahren (z.B. Ultraschallschweißen, Laserschweißen oder dgl.) oder Lötverfahren angewendet werden und ferner muss für die Herstellung der Kohlebürsten mit einer schweißbaren Metallschicht ein Werkstoff zur Verfügung stehen, der sich einerseits bei der pulvermetallurgischen Verarbeitung gut mit dem Kohlewerkstoff des Grundkörpers der Kohlebürste verbindet und andererseits mit dem ausgewählten Verfahren gut zu schweißen oder zu löten ist. Es wurde gefunden, dass reines Kupfer und seine Legierungen sowie Eisen oder Stahl nicht geeignet sind, weil ihr Wärmeausdehnungskoeffizient und Elastizitätsmodul nicht mit dem des Kohlewerkstoffs des Grundkörpers der Kohlebürste im Sinterverfahren kompatibel ist. Werkstoffe, die dem Kohlewerkstoff des Grundkörpers der Kohlebürste ähnlich sind, scheiden ebenfalls aus, da sie sich, bedingt durch den enthaltenen Graphitanteil, nicht verschweißen lassen.

Es wurde erfindungsgemäß gefunden, dass ein metallischer Werkstoff in Form eines Pulvergemisches aus einem Bestandteil A, einem duktilen und niedrigschmelzenden Bestandteil B und ggf. weiteren Zusatzstoffen C beiden Notwendigkeiten, nämlich der guten Verbindung durch Pressen und Sintern mit dem funktionellen Kohlewerkstoff des Grundkörpers der Kohlebürste einerseits und der guten Schweißbarkeit oder Lötbarkeit andererseits gleichzeitig gerecht wird.

Erfindungsgemäß macht der Bestandteil A den überwiegenden Teil, vorzugsweise mehr als 80%, des Werkstoffs aus und besteht vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit z.B. Sn, Zn, Ni oder Ag. Er liegt vorzugsweise in Pulverform mit einem mittleren Durchmesser D₅₀ von 15 bis 25 μm vor.

Der Bestandteil B ist ein zusätzliches Metall, das eine höhere Duktilität und niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als der Bestandteil A. Vorzugsweise liegt der Schmelzpunkt bei 400°C oder darunter und die Bruchdehnung bei 5% oder darüber. Der Bestandteil B besteht vorzugweise aus Sn oder eine Legierung von Sn mit z.B. Cu, Ag, Sb, Zn, Ga, In, Bi oder Pb. Der Metallbestandteil B kann auch aus In und/oder Bi oder einer Legierung mit In oder Bi bestehen. Sein Anteil an der gesamten Pulvermischung des Werkstoffs beträgt vorzugsweise 1,5 bis 15 Gewichtsprozent. Das zusätzliche Metall B liegt vorzugsweise in einer mittleren Korngröße D₅₀ von 15 bis 35 μm vor.

Zusätzlich kann der Werkstoff vorzugsweise einen oder mehrere nichtmetallische, organische und/oder anorganische Zusätze C in Pulverform enthalten. Als derartige Zusätze kommen z.B. Stearate, Graphit, Talkum, SiC oder Al₂O₃ in Betracht. Ihre mittlere Korngröße D₅₀ beträgt vorzugsweise nicht mehr als 20 μm.

Ein bevorzugtes Beispiel zur Zusammensetzung des Werkstoffs ist (Angaben in Gewichtsrozent

A: 92% Cu (D₅₀ 15 – 25 μm)
B: 7,5% Sn (D₅₀ 15 – 55 μm)
C: 0,5% Graphit (D₅₀ ≤ 20 μm).

Der angegebene Werkstoff läßt sich pulvermetallurgisch einwandfrei durch Verpressen und Sintern verarbeiten und verbindet sich hervorragend mit der funktionellen Schicht (Grundkörper) der Kohlebürste zur Bildung einer Metallschicht mit hervorragender Schweiß- und Lötbarkeit. Es hat sich gezeigt, dass beim Pressen und Sintern das niedrigschmelzende und duktile Metall B das Grundmetall A benetzt, aber in dieses nicht oder wenig eindiffundiert. Dadurch wird gewährleistet, dass der überwiegende oder jedenfalls ausreichende Teil des Metalls B nach dem Sintern nicht mit dem Metall A legiert ist, sondern rein vorliegt und somit die gewünschte Duktilität der Metallschicht erzielt wird. Durch die Duktilität des Werkstoffs wird ein Spannungsausgleich zwischen dem Grundkörper 1 der Kohlebürste und der Schweißbahn-Metallschicht (2) einerseits und der mit der Metallschicht (2) verschweißten Blattfeder andererseits ermöglicht.

Mit anderen Worten, in der durch Pressen und Sintern hergestellten Sintermetallschicht 2 bilden das Grundmetall A und zumindest der überwiegende Teil des weiteren Metalls B zwei getrennte Metallphasen, die zwar durch das Pressen und Sintern innig miteinander verbunden, aber im wesentlichen nicht miteinander legiert sind.

Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung, d.h. das Sintern der Metallschicht bei einer Temperatur, die niedriger als der Schmelzpunkt des Grundmetalls A, aber höher als der Schmelzpunkt des weiteren Metalls B liegt, durchgeführt. Es handelt sich somit vorzugsweise um eine Flüssigsinterung, bei der das weitere Metall B in flüssiger Phase, das Grundmetall A dagegen in fester, pulverförmiger Phase vorliegt. Wenn das Grundmetall A Kupfer und das weitere Metall B Zinn ist, liegt die Sintertemperatur vorteilhafterweise im Bereich von 300 bis 700°C, vorzugsweise im Bereich von 400 bis 500°C.

Der nichtmetallische, organische oder anorganische Zusatz C wird vom Metall B beim Sinterprozess nicht benetzt und verhindert dadurch eine unerwünscht große Diffusion des Metalls B in das Grundmetall A.

Die beigefügte Zeichnung zeigt schematisch eine an eine Blattfeder angeschweißte Kohlebürste gemäß der Erfindung.
Die Kohlebürste hat einen Grundkörper 1, der in üblicher Weise einschichtig oder auch mehrschichtig aus einem üblichen Kohlewerkstoff für Kohlebürsten, insbesondere einer Graphitmischung mit Zusätzen, durch Pressen und Wärmebehandlung (Sintern) hergestellt ist. Mit dem Grundkörper 1 verbunden ist die gut schweiß- oder lötbare Metallschicht (2), die aus den o.g. erfindungsgemäßen pulverförmigen Werkstoff ebenfalls durch Pressen und ggf. Sintern hergestellt und mit dem Grundkörper 1 unlösbar verbunden ist. Grundkörper 1 und schweißbare Metallschicht 2 können gleichzeitig durch Verpressen und Sintern hergestellt und miteinander verbunden werden, oder es kann der Grundkörper 1 vorgefertigt und an diesen nachträglich die schweißbare Metallschicht 2 durch Pressen und Sintern angeformt werden.
Die gut schweißbare Metallschicht 2 ermöglicht es, die gesamte Kohlebürste durch Schweißen an einer Blattfeder 3 zu befestigen, beispielsweise durch Schweißpunkte 4 oder z.B. durch eine durchgehende Schweißnaht.
Die Dicke der Sintermetallschicht 2 richtet sich nach den Erfordernissen des für die Verbindung mit der Blattfeder 3 gewählten Schweiß- oder Lötverfahrens. Vorzugsweise liegt die Dicke der Metallschicht 2 im Bereich von 0,2 bis 5 mm. Für eine Lötverbindung mit der Blattfeder 2 dürfte in der Regel eine Dicke der Metallschicht 2 von weniger als 1 mm, insbesondere im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm ausreichen. Für eine Schweißverbindung dürfte in der Regel eine Dicke von mindestens 1 mm, z. B. im Bereich von 2 bis 4 mm, vorteilhaft sein.

Claims

Kohlebürste mit einem aus Kohlewerkstoff durch Pressen und ggf. Sintern hergestellten Grundkörper (1) und einer an einer Außenfläche des Grundkörpers aufgebrachten Schicht aus einem metallischen Werkstoff, wobei die Metallschicht (2) durch Schweißen oder Löten mit einem metallischen Träger verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (2) eine aus Metallpulver durch Pressen und ggf. Sintern hergestellte und mit dem Grundkörper (1) durch Pressen und ggf. Sintern unlösbar verbundene Schicht ist.
Kohlebürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Metallschicht (2) mit einem Träger aus Metall durch Schweißen oder Löten verbunden ist.
Kohlebürste nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine Blattfeder (3) ist.
Kohlebürste nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (2) ein Grundmetall (A), insbesondere Kupfer oder Kupferlegierung, und ein weiteres Metall (B) mit höherer Duktilität und niedrigerem Schmelzpunkt als das Grundmetall (A) enthält, wobei das weitere Metall (B) zumindest überwiegend als eine vom Grundmetall (A) getrennte Metallfaser vorliegt, die mit dem Grundmetall (A) durch Pressen und ggf. Sintern innig verbunden ist, aber mit ihm überwiegend keine Legierung bildet.
Kohlebürste nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Metall (B) so gewählt ist, dass es das Grundmetall (A) benetzt, aber bei Sintertemperatur in dieses nicht oder wenig eindiffundiert.
Kohlebürste nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Metall (B) einen Schmelzpunkt von nicht mehr als 400°C und eine Bruchdehnung von nicht weniger als 5% aufweist.
Kohlebürste nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Metall (B) aus Zinn, Indium oder Wismut oder einer Legierung davon besteht.
Kohlebürste nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Metall (B) in einem Anteil zwischen 1,5 und 15 Gewichtsprozent der Metallschicht (2) vorliegt.
Kohlebürste nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (2) zusätzlich einen Zusatz (C) aus nichtmetallischem, organischem und/oder anorganischem Material enthält.
Kohlebürste nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische Zusatz (C) Stearate, Graphit, Talkum, SiC oder Al₂O₃ enthält.
Werkstoff für die Herstellung einer schweiß- und/oder lötbaren Schicht einer Kohlebürste, bestehend aus einer Pulvermischung, die ein pulverförmiges Hauptmetall (A), insbesondere Kupfer oder Kupferlegierung, und ein pulverförmiges Zusatzmetall (B) mit höherer Duktilität und niedrigerem Schmelzpunkt als das Hauptmetall enthält.
Werkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er einen pulverförmigen Zusatz (C) aus nichtmetallischem, organischem und/oder anorganischem Material enthält.
Werkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmetall (B) in einem Anteil von 1,5 bis 15 Volumenprozent der Pulvermischung vorliegt.
Werkstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmetall (B) aus Zinn, Indium und/oder Wismut oder einer Legierung davon besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) der Kohlebürste aus einem pulverförmigen Kohlewerkstoff und eine Metallschicht (2) der Kohlebürste aus einem pulverförmigen Werkstoff gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14 durch Pressen und Wärmebehandlung (Sintern) hergestellt und zu einem gemeinsamen Körper verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt wird, die höher als der Schmelzpunkt des weiteren Metalls B, aber niedriger als der Schmelzpunkt des Grundmetalls A ist.