DE1261589B

DE1261589B - Commutator brushes made of charcoal or electrographite and process for their manufacture

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.Artificial carbon or electrographite commutator brushes and processes for their manufacture The present invention relates to a commutator brush from Artificial carbon or electrographite with a high transverse resistance-to-longitudinal resistance ratio.

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.In order to achieve a satisfactory commutation behavior, especially in AC commutator machines with high lamellar voltages, the highest possible transverse resistance of the commutator brushes is desirable. This is counteracted by the known low anisotropy of electrographite brushes. Electrographite brushes usually have a ratio of transverse resistance to longitudinal resistance of 1.1 to 1.3: 1. For example, an average electrographite brush has a longitudinal resistance of around 40 ohms mm2 / m and a transverse resistance of around 52 ohms 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.Brushes made of natural graphite meet the requirement for a high anisotropy of the resistance, since the ratio of transverse resistance to longitudinal resistance is 4: 1 to 6: 1 . However, natural graphite brushes have the disadvantage that they can only withstand relatively low current loads. In modern engines, such as. B. Railway engines with their high working currents, which lie on average at 10 to 12 amps / cm2 and at peak loads at 20 to 22 amps / cm2, one is therefore dependent on the use of electrographite brushes, which can withstand much higher loads.

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.Attempts have therefore been made again and again to produce electrographite brushes with a higher ratio of the transverse resistance to the longitudinal resistance. For this purpose, for example, so-called layered brushes or sandwich brushes have been produced, which consist of several individual layers glued together transversely to their longitudinal direction (German utility model 1787 296). By using an insulating adhesive it was achieved that the longitudinal resistance of such brushes remained unchanged, but the transverse resistance was significantly increased. A disadvantage of this embodiment, however, is that the adhesive cannot cope with the high mechanical, electrical and thermal stress in the brush running surface. There occur partly due to arcs, partly due to temporarily high contact resistance, high temperatures which the insulating compound, which is essentially made up of different types of synthetic resin, cannot withstand in the long run. As a result of this, the mechanical durability of the brushes in continuous operation is insufficient and the insulation capacity on the running surface is reduced due to the formation of conductive coke bridges, which significantly reduce the initially high transverse resistance of the brush. Such a brush therefore does not meet the requirements.

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.It is also known to divide brushes twice or three times (German patent specification 1026 846) and to use twin or triple brushes instead of a homogeneous block brush. It has been found, however, that in practice irregularities in the current distribution can occur with such brushes.

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.Processes have recently been developed according to which it is possible to produce carbon fibers by coking natural fibers and carbon fabrics by coking fabrics from natural fibers. These can also be graphitized and then result in graphite fibers or graphite fabric. Such fibers or such fabrics have very high electrical specific resistances, furthermore their resistance is naturally strongly direction-dependent, i. H. the resistance in the longitudinal direction of the fibers is significantly lower than in the transverse direction of the fibers. It is therefore also known (USA. Patent 3,174,895), several layers of a graphite compress tissue using a carbonizable binder and to carbonize the resulting body and to graphitize. The carbon or graphite bodies produced in this way can be used for various purposes, including for commutator brushes. However, such brushes have the disadvantage that they cannot be loaded to the same extent as the usual electrographite brushes.

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.The present invention is therefore based on the object of a Brush with a high ratio the transverse resistance to the longitudinal resistance to create in which the above-mentioned disadvantages do not occur. This task is achieved in commutator brushes of the type mentioned in that according to the invention one or more layers of charcoal or graphite fabric in the brush in the longitudinal direction are inserted.

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.You can insert the carbon or graphite fabric into the green mass when pressing the green brush body, so that after the pressing process, the fabric insert, for. B. is arranged in the middle of the pressing height of the compact. (The term "green mass" used here is the term used in charcoal technology for the starting mixture consisting of a dry component, in particular coke, carbon black or graphite powder and a binding agent, e.g. pitch or synthetic resin, from which "green moldings" are pressed which are then coked by heating and optionally graphitized [see, for example, Ullmanns Encyklopadie der technischen Chemie, Volume 9 , Urban & Schwarzenberg, Munich-Berlin 1957, p. 794, line 30].) However, if it is necessary to use two or more layers of the fabric insert so that the pressed brush body is divided twice or more times by the inserted charcoal or graphite fabric. During the pressing process, the particles of the green mass are pressed into the meshes of the charcoal or graphite fabric and form a firm bond with them. Since the individual carbon or graphite threads have a porous structure, further anchoring in the brush body is achieved in that the binders present in the green mass penetrate into the carbon or graphite threads and connect with them Coking and subsequent graphitization, a uniform pressed body with a homogeneous bond of the insert. The connection between tissue and green molding compound can be improved by moistening or impregnating the tissue with the binder before embedding it in the green compound, e.g. B, moistened with sprayed tar or synthetic resin. Moistening the carbon or graphite fabric with furfuryl alcohol before inserting it has also proven to be particularly suitable.

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.After coking the brush body and optionally graphitizing, commutator brushes are obtained which have the desired anisotropy of the specific electrical resistance. A ratio of the transverse resistance to the longitudinal resistance of 6: 1 or even higher can be achieved.

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.Brushes according to the invention also have the advantage that they also have very favorable properties in terms of running technology, because the species-specific coal or graphite fibers of the fabric do not cause any difficulties. In contrast this can cause vibrations in the tread if the brush structure is inhomogeneous and chatter phenomena disrupt the brush running mechanically. That is avoided here.

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.The use of charcoal resp. Graphite fiber fabric inserts have been proven to be produced by coking animal fibers, z. B, were made from wool fibers.

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.You can also insert a charcoal or graphite fabric in the brush body in such a way that you insert a not yet completely coked fabric, in particular a fabric made of animal fiber material in the green mixture and then carry out the usual coking and optionally graphitization. If a fabric that has not yet been fully coked is used, cracking products are split off during coking, which ensure good integration. The invention is explained in more detail below with reference to a few exemplary embodiments. Embodiment 1 ready for pressing green mixture that was prepared from Rußnudelkokspulver and tar pitch binder is, in a matrix of 100 - 150 -mm filled at a height of 30 mm and smoothed. Now a carbon fabric with a coarse weave and a thickness of 0.7 mm is inserted and covered with the same amount of green mixture. The laminate is then pressed with a specific pressure of 2 t / cm2.

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. The compacts are placed in crucibles and fired in a gas-heated chamber furnace up to 9000 ° C. After the graphitization treatment at a maximum of 28001 ° C. , the specific electrical resistance in the pressing direction, i.e. H. perpendicular to the fabric insert 290 9 mm2 / m, while it was determined in the direction of the fabric insert to be 50 9 min2 / m; this corresponds to an anisotropy coefficient of the electrical resistance of 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.Embodiment 2 The ready-to-press green mixture of Example 1 is pressed with two layers of fine-thread carbon fabric, 0.2 mm thick. One third of the green mixture is first introduced into the mold and covered with the first layer of fabric, then the second third of the green mixture and the second layer of fabric are introduced and finally the remaining third of the mixture is overlaid. For better integration, the carbon fabric inlays are sprayed with furfuryl alcohol before they are placed in the mold. The further manufacturing process corresponds to example 1. The specific electrical resistance of the graphitized brushes is: in the direction of the fabric insert .... 42 Q mm2Jm perpendicular to the fabric insert ...... WO min2 / m This corresponds to a ratio of the cross resistance to the series resistance of 6.1, Embodiment 3 A tar-pitch-bonded Petrolkokswischung is at a height of 25 mm in a die 100-150 mm were charged and coked with a "partially" woolen fabric (largely dehydrated by chemical and thermal treatment up to 300 "C) . Finally, a second 25 mm layer of the green mixture is applied and the laminate is pressed, fired and graphitized as described in Example 1. The laminates have the following resistance values: in the direction of the tissue .............. # 19 9 mral / ni perpendicular to the fabric ........... 9712 mm2 / m Anisotropy ................... 5> 1 In the figure, a commutator brush 1 with fabric inserts 2 and 3 is shown. The fabric inserts are made of charcoal or graphite fabric. They can be inserted into the green brush compound in the already coked and optionally graphitized or partially coked state when the green brush body is pressed.

Claims

Claims: 1. Commutator brush made of synthetic carbon or electrographite with a high transverse resistance-to-longitudinal resistance ratio, characterized in that one or more layers of synthetic carbon or graphite fabric are inserted into the brush in the longitudinal direction.

2. Commutator brush according to claim 1, characterized in that a layer of synthetic carbon or graphite fabric is arranged in the central plane of the brush. 3. Commutator brush according to spoke 1, characterized in that a layer of the charcoal or graphite fabric is arranged in the brush at equal intervals. 4. Commutator brush according to one of claims 1 to 3, characterized in that tissues produced by coking and graphitizing animal fibers are used. 5. Process for the manufacture of commutator brushes, in which the green mixture in a. Press mold is filled and after pressing the green body these are coked and graphitized, according to one of Claims 1 to 4, characterized in that intermediate layers of charcoal or graphite fabric are inserted when the green mixture is poured into the press mold. 6. The method according to claim 5, characterized in that the inserts made of charcoal or graphite fabric in initially not yet completely coked form, in particular in the form of fabrics made of animal fiber material, are inserted into the green mixture. 7. - The method according to claim 5 or 6, characterized in that the inserted fabrics are moistened or impregnated with a binder prior to insertion. 8. The method according to claim 7, characterized in that the fabrics are moistened with furfuryl alcohol prior to loading. Documents considered: German Patent No. 1026 846; German utility model No. 1787 296; USA. Pat. No. 3,174,895.