DE1261589B

DE1261589B - Kommutatorbuersten aus Kunstkohle- oder Elektrographit und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1261589B
Application number: DES103855A
Authority: DE
Inventors: Dr Techn Paul Conrath
Original assignee: SIGRI ELEKTROGRAPHIT GmbH; Sigri Elektrograhit GmbH
Current assignee: SIGRI ELEKTROGRAPHIT GmbH; Sigri GmbH
Priority date: 1966-05-17
Filing date: 1966-05-17
Publication date: 1968-02-22
Also published as: US3509400A; BE698576A; AT263128B; FR1523021A; GB1150133A

Description

Kommutatorbürsten aus Kunstkohle- oder Elektrographit und Verfahren zu ihrer Herstellung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kommutatorbürste aus Kunstkohle- oder Elektrographit mit hohem Querwiderstand-zu-Längswiderstand-Verhältnis.
Zur Erzielung eines zufriedenstellenden Kommutierungsverhaltens, insbesondere bei Wechselstromkommutatormaschinen mit hohen Lamellenspannungen ist ein möglichst hoher Querwiderstand der Kommutatorbürsten erwünscht. Dem steht die bekanntlich geringe Anisotropie von Elektrographitbürsten entgegen. üblicherweise haben Elektrographitbürsten ein Verhältriis von Querwiderstand zu Längswiderstand von 1,1 bis 1,3 : 1. Beispielsweise hat eine durchschnittliche Elektrographitbürste einen Längswiderstand von etwa 40 Ohm mm2/m und einen Querwiderstand von etwa 52 Ohrn MM2/M.
Der Forderung nach einer hohen Anisotropie des Widerstandes kommen Bürsten aus Naturgraphit 'v#esentlich mehr entgegen, da bei ihnen das Verhältnis von Querwiderstand zu Längswiderstand bei 4: 1 bis 6 : 1 liegt. Naturgraphitbürsten haben jedoch den Nachteil, nur relativ niedrige Strombelastungen auszuhalten. Bei modernen Motoren, wie z. B. Bahnmotoren mit ihren hohen Arbeitsströmen, die im Durchschnitt bei 10 bis 12 Amp/cm2 und bei Spitzenbelastungen bei 20 bis 22 Amp/cm2 lie 'gen, ist man daher auf die Anwendung von Elektrographitbürsten angewiesen, die wesentlich höhere Belastungen vertragen können.
Es ist daher immer wieder versucht worden, Elektrographitbürsten mit einem höheren Verhältnis des Querwiderstandes zum Längswiderstand herzustellen. Man hat hierzu beispielsweise sogenannte Schichtbürsten oder Sandwichbürsten hergestellt, die aus mehreren quer zu ihrer Längsrichtung zusammengeklebten Einzelschichten bestehen (deutsche Gebrauchsmuster 1787 296). Durch Verwendung einer isolierenden Klebemasse hat man erreicht, daß bei solchen Bürsten der Längswiderstand zwar unverändert blieb, dagegen der Querwiderstand wesentlich erhöht wurde. Ein Nachteil dieser Ausführungsform liegt jedoch darin, daß die Klebemasse der hohen mechanischen, elektrischen und thermischen Beanspruchung in der Bürstenlauffläche nicht gewachsen ist. Es treten dort teils durch Lichtbögen, teils durch vorübergehend hohe übergangswiderstände hohe Temperaturen auf, die die Isoliermasse, die im wesentlichen aus verschiedenen Kunstharzsorten aufgebaut ist, auf die Dauer nicht aushält. Als Folge hiervon ergibt sich eine nicht ausreichende mechanische Haltbarkeit der Bürsten im Dauerbetrieb sowie eine Verminderung der Isolationsfähigkeit an der Lauffläche durch Ausbildung von leitenden Koksbrücken, die den anfänglich hohen Querwiderstand der Bürste ganz wesentlich reduzieren. Eine solche Bürste genügt somit auch nicht den gestellten Forderungen.
Es ist ferner bekannt, Bürsten zweifach oder dreifach zu unterteilen (deutsche Patentschrift 1026 846) und an Stelle einer homogenen Blockbürste Zwillings-oder Drillingsbürsten zu verwenden. Man hat jedoch feststellen müssen, daß bei solchen Bürsten in der Praxis Ungleichmäßigkeiten in der Stromverteilung auftreten können.
Man hat in jüngster Zeit Verfahren entwickelt, nach denen es möglich ist, durch Verkokung von Naturfasern Kohlefasern und durch Verkokung von Geweben aus Naturfasern Kohlegewebe herzustellen. Diese können auch graphitiert werden und ergeben dann Graphitfasern bzw. Graphitgewebe. Solche Fasem bzw. solche Gewebe haben sehr hohe elektrische spezifische Widerstände, ferner ist naturgemäß ihr Widerstand stark richtungsabhängig, d. h. der Widerstand in Faserlängsrichtung ist wesentlich niedriger als in Faserquerrichtung. Es ist daher auch bekannt (USA.-Patentschrift 3 174 895), mehrere Lagen eines Graphitgewebes unter Verwendung eines verkokbaren Bindemittels zusammenpressen und den dabei entstehenden Körper zu verkoken und zu graphitieren. Die so hergestellten I#.'-unstkohle- bzw. Graphitkörper sind für verschiedene Zwecke verwendbar, unter anderem auch für Kommutatorbürsten. Jedoch haben solche Bürsten den Nachteil, nicht im gleichen Maß belastbar zu sein wie die üb- lichen Elektrographitbürsten.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Bürste mit einem hohen Verhältnis des Querwiderstandes zum Längswiderstand zu schaffen, bei dem die obengenannten Nachteile nicht auftreten. Diese Aufgabe wird bei Kommutatorbürsten der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß in die Bürste in Längsrichtung eine oder mehrere Lagen des Kunstkohle- oder Graphitgewebes eingelegt sind.
Man kann beim Pressen der grünen Bürstenkörper die Kunstkohle- oder Graphitgewebe in die grüne Masse einlegen, so daß nach dem Preßvorgang die Gewebeeinlage, z. B. in der Mitte der Preßhöhe des Preßlings angeordnet ist. (Der hier verwendete Ausdruck »grüne Masse« ist die in der Kunstkohletechnik geläufige Bezeichnung für die aus einer Trockenkomponente, insbesondere Koks, Ruß oder Graphitpulver und einem Bindemittel, z. B. Pech oder Kunstharz, bestehenden Ausgangsmischung, aus denen »grüne Formkörper« gepreßt werden, die dann durch Erhitzen verkokt und gegebenenfalls graphitiert werden [siehe z. B. Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 9. Band, Urban & Schwarzenberg, München-Berlin 1957, S. 794, Zeile 30].) Man kann jedoch, wenn es notwendig ist, auch zwei oder mehrere Lagen der Gewebeeinlage verwenden, so daß der gepreßte Bürstenkörper zweimal oder mehrmal durch das eingelegte Kunstkohle- bzw. Graphitgewebe unterteilt wird. Beim Preßvorgang pressen sich die Teilchen der grünen Masse in die Maschen des Kunstkohle- oder Graphitgewebes ein und ergeben eine feste Verbindung mit diesen. Da die einzelnen Kohle- oder Graphitfäden eine poröse Struktur haben, wird eine weitere Verankerung in dem Bürstenkörper dadurch erzielt, daß die - in der grünen Masse vorhandenen Bindemittel in die Kohle- oder Graphitfäden eindringen und sich mit diesen verbinden, Es ergibt sich daher bei der Verkokung und nachfolgenden Graphitierung, ein einheitlicher Preßkörper mit einer homogenen Bindung der Einlage. Man kann die Verbindung zwischen Gewebe und grüner Preßmasse noch dadurch verbessern, daß man das Gewebe vor dem Einbetten in die grüne Masse mit dem Bindemittel befeuchtet bzw, imprägniert, z. B, mit versprühtem Teer oder Kunstharz befeuchtet. Als besonders geeignet hat sich auch die Befeuchtung der Kohlenstoff- oder Graphitgewebe vor dem Einlegen mit Furfurylalkohol erwiesen.
Nach dem Verkoken der Bürstenkörper und gegebenenfalls Graphitieren erhält man Kommutatorbürsten, die die gewünschte Anisotropie des spezifischen elektrischen Widerstandes besitzen, Es läßt sich ein Verhältnis des Querwiderstandes zum Längswiderstand von 6: 1 oder noch höher erzielen.
Bürsten nach der Erfindung weisen ferner den Vorteil auf, daß sie auch lauftechnisch sehr günstige Eigenschaften haben, weil die arteigenen Kohle- bzw. Graphitfasem des Gewebes keinerlei Schwierigkeiten verursachen. Im Gegensatz hierzu können bei inhomogener Struktur der Bürsten in der Lauffläche Vibrationen und Rattererscheinungen den Bürstenlaufinechanisch stören. Das wird hier vermieden.
Als besonders zweckmäßig hat sich die Verwendung von Kunstkohle- bzw. Graphitfasergewobeeinlagen erwiesen, die durch Verkokung von tierischen Fasern, z. B, von Wollfasem hergestellt worden waren.
Man kann auch die Einlage eines Kunstkohle- oder Graphitgewebes in den Bürstenkörper in der Weise bewirken, daß man ein noch nicht vollständig verkoktes Gewebe, insbesondere ein Gewebe aus tierischen Fasermaterial in die grüne Mischung einlegt und hierauf die übliche Verkokung und gegebenenfalls Graphitierung durchführt. Bei Verwendung eines noch nicht vollständig verkokten Gewebes werden bei der Verkokung Crackprodukte, abgespalten, die eine gute Einbindung bewirken. Die Erfindung wird im folgenden noch an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Ausführungsbeispiel 1 Die preßfertige grüne Mischung, die aus Rußnudelkokspulver und Teer-Pech-Binder hergestellt wurde, wird in eine Matrize von 100 - 150 -mm in einer Höhe von 30 mm eingefüllt und glatt gestrichen. Nun wird ein Kohlenstoffgewebe von grober Webart und einer Dicke von 0,7 mm eingelegt und mit der gleichen Menge grüner Mischung überschichte. Mit einem spezifischen Preßdruck von 2 t/cm2 wird sodann der Schichtkörper verpreßt.
Die Preßlinge werden in Tiegel eingesetzt und in einen gasbeheizten Kammerofen bis 9000 C gebrannt. Nach der Graphitierungsbehandlung bei maximal 28001 C betrug der spezifische elektrische Widerstand in Preßrichtung, d. h. senkrecht zur Gewebeeinlage 290 9 mm2/m, während er in Richtung der Gewebeeinlage zu 50 9 min2/m ermittelt wurde; dies entspricht einem Anisotropiekoeffizienten des elektrischen Widerstandes von 5,8.
Ausführungsbeispiel 2 Die preßfertige grüne Mischung des Beispiels 1 wird mit zwei Lagen eines feinfädigen Kohlenstoffgewebe,s von 0,2mm Dicke verpreßt. Die grüne Mischung wird dabei zunächst zu einem Drittel in die Preßform eingebracht und mit der ersten Gewebelage bedeckt, darauf wird das zweite Drittel grüne Mischung und die zweite Gewebelage eingebracht und schließlich mit dem restlichen Drittel der M-schung überschichtet. Zur besseren Einbindung werden die Kohlenstoffgewebeeinlagen vor dem Einbringen in die Form mit Furfuryla lkohol besprüht. Der weitere Fabrikationsprozeß entspricht dem Beispiel 1. Der spezifische elektrische Widerstand der graphitierten Bürsten beträat:

in Richtung der Gewebeeinlage .... 42 Q mm2Jm

senkrecht zur Gewebeeinlage ...... WO min2/m

Dies entspricht einem Verhältnis des Querwiderstandes zum Längswiderstand von 6,1, Ausführungsbeispiel 3 Eine teer-pech-gebundene Petrolkokswischung wird in einer Höhe von 25 mm in eine Matrize von 100 - 150 mm eingefüllt und mit einem »teilweise verkokten« Wollgewebe (weitgehend dehydratisiert durch chemische und thermische Behandlung bis 300" C) bedeckt. Schließlich wird eine zweite 25-mm-Schicht der grünen Mischung eingebracht und der Schichtkörper wie im Beispiel 1 beschrieben gepreßt, gebrannt und graphitiert, Die Schichtkörper haben folgende Widerstandswerte:

in Geweberichtung .............. # 19 9 mral/ni

senkrecht zum Gewebe ........... 9712 mm2/m

Anisotropie ................... 5>1

In der Figur ist eine Kommutatorbürste 1 mit Gewebeeinlagen 2 und 3 dargestellt. Die Gewebeeinlagen bestehen aus Kunstkohle- oder Graphitgewebe. Sie können im bereits verkokten und gegebenenfalls graphitierten oder im teilweise verkokten Zustand bei der Pressung der grünen Bürstenkörper in die grüne Bürstenmasse eingelegt sein.

Claims

Patentansprüche: 1. Kommutatorbürste aus Kunstkohle oder Elektrographit mit hohem Querwiderstand-zu-Längswiderstand-Verhältnis, dadurch gekennzeichnet, daß in die Bürste in Längsrichtung eine oder mehrere Lagen eines Kunstkohle- oder Graphitgewebes eingelegt sind.
2. Kommutatorbürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mittelebene der Bürste eine Lage des Kunstkohle- oder Graphitgewebes angeordnet ist. 3. Kommutatorbürste nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet daß in der Bürste in gleichen Abständen je eine Lage des Kunstkohle-oder Graphitgewebes angeordnet ist. 4. Kommutatorbürste nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verkoken und Graphitieren von tierischen Fasern hergestellte Gewebe verwendet sind. 5. Verfahren zur Herstellung von Kommutatorbürsten, bei denen die grüne Mischung in eine. Preßform eingefüllt wird und nach dem Pressen der grünen Körper diese verkokt und graphitiert werden, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einfüllen der grünen Mischung in die Preßforin Zwischenlagen aus Kunstkohle- oder Graphitgewebe eingelegt werden. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Einlagen aus Kunstkohle-oder Graphitgewebe in zunächst noch nicht vollständig verkokter Form, insbesondere in Form von Geweben aus tierischem Fasermaterial, in die grüne Mischung eingelegt werden. 7. -Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelegten Gewebe vor dem Einlegen mit einem Bindemittel befeuchtet oder imprägniert werden. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Gewebe vor dem Einlegen mit Furfurylalkohol befeuchtet werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 1026 846; deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1787 296; USA.-Patentschrift Nr. 3 174 895.