DE202011002349U1

DE202011002349U1 - Brush for an electric machine

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Publication number: DE202011002349U1
Application number: DE202011002349U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2021-02-04
Also published as: CZ201087A3; CZ306769B6

Abstract

Bürste für eine Elektromaschine, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens deren Teile aus Kohlenstoffnanomaterialien gefertigt sind.Brush for an electric machine, characterized in that at least its parts are made of carbon nanomaterials.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bürste für eine Elektromaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a brush for an electric machine according to the preamble of claim 1.

Eine bekannte Bürste für eine Elektromaschine ist mit einer stromleitenden Litze ausgerüstet.A known brush for an electric machine is equipped with an electrically conductive strand.

Aus der Praxis sind mehrere Typen von Bürsten für Elektromaschinen bekannt.From practice several types of brushes for electrical machines are known.

Gleitkontakte in der Form von Graphitbürsten sind ein wichtiger Bestandteil für die Stromübertragung in mehreren Elektromaschinen. Der Kohlenstoff und das Graphit besitzen gute Gleiteigenschaften und eine relativ gute Elektro- und Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmebeständigkeit. Der Kohlenstoff ist nicht geschmolzen, sondern sublimiert bei Temperaturen über 300°C. Beim Vorkommen von Schaltfunken und -bögen ist die Bildung der Schmelztropfen, die auf den Metallkontakten auftreten, damit verhindert,
Naturgraphit weist als angewandter Rohstoff einen größeren oder kleineren Anteil von sehr fein zerstreuten Mineralverunreinigungen auf, die dem Naturgraphit eine bestimmte Abriebfestigkeit neben ausgezeichneten Gleiteigenschaften verleihen.Sliding contacts in the form of graphite brushes are an important component for power transmission in several electric machines. The carbon and the graphite have good sliding properties and a relatively good electrical and thermal conductivity and a high heat resistance. The carbon is not melted, but sublimates at temperatures above 300 ° C. In the presence of switching sparks and arcs, the formation of the melting drops that occur on the metal contacts is thus prevented,
Natural graphite, as an applied raw material, has a greater or lesser proportion of very finely dispersed mineral impurities, which impart to the natural graphite a certain abrasion resistance in addition to excellent sliding properties.

In Kommutatormaschinen ist das Naturgraphit wegen seiner Schleifwirkung durch Elektrographit ersetzt. Naturgraphit jedoch erlangt nicht die Kommutierungseigenschaften, die bei derartigen Maschinen gefordert werden. Die Naturgraphitbürsten sind bis zu 10 A·cm^–2 dauerbelastbar, vertragen aber kurzfristige Stromspitzen bis zu 20 A·cm^–2. Elektrographit ist der am meisten universelle und angewandte Werkstoff für Graphitbürsten. Außer in Maschinen mit einfacher Isolation des Kommutators und schwer kommutierenden Motoren ist Elektrographit in den Kommutatoren auch in Ringen in bestimmten Grenzen verwendet. Die gute Wärmeleitfähigkeit vom Elektrographit in Verbindung mit der hohen Abriebbeständigkeit verhindert, dass die Graphitbürsten beim Funkenüberschlag nicht schnell verschlissen werden.In commutator machines, natural graphite has been replaced by electrographite because of its grinding effect. Natural graphite, however, does not obtain the commutation properties required of such machines. Natural graphite brushes can last up to 10 A · cm ^-2 , but tolerate short-term peak currents of up to 20 A · cm ^-2 . Electrographite is the most universal and applied graphite brush material. Except in machines with simple isolation of the commutator and hard-commutating motors, electrographite is also used in the commutators in rings within certain limits. The good thermal conductivity of the electrographite in combination with the high abrasion resistance prevents the graphite brushes from being worn out quickly when flashover occurs.

Weiter ist Graphit mit einem Harzbindemittel bekannt. Dieser Werkstoff hat infolge des Gehalts an Harzbindemittel einen relativ hohen Widerstand im Bereich von 100 bis 300 μΩm. Er weist außerdem ein großes Verhältnis des Querwiderstands zum Längswiderstand auf. Der Längswiderstand ist durch die Tafelstruktur der verwendeten Graphite verursacht. Im Zusammenhang mit einer Übergangsspannung ist der Werkstoff fähig, Kurzschlussströme unter den durch die Graphitbürsten überbrückten Lamellen stark zu dämpfen. Er ist deshalb für Drehstrom-Kommutatormaschinen geeignet.Further, graphite is known with a resin binder. This material has a relatively high resistance in the range of 100 to 300 μΩm due to the resin binder content. He also has a large ratio of the transverse resistance to the series resistance. The series resistance is caused by the panel structure of the graphites used. In the context of a transient voltage, the material is able to strongly attenuate short-circuit currents among the fins bridged by the graphite brushes. It is therefore suitable for three-phase commutator machines.

Die Werkstoffe des Typs Metallgraphit sind aus Graphiten und Metallpulvern, vorzugsweise aus Kupfer, gefertigt. Sie zeichnen sich durch eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit aus. In Abhängigkeit vom Metallanteil und dessen Zusammensetzung bewegt sich der spezifische elektrische Widerstand des Graphits mit einem Metall im Bereich von 0,1 bis 10 μΩm. Das hat dann niedrige Kontaktwiderstände und Übergangsspannungen zur Folge. Das in einen Werkstoff implantierte Graphit leistet gute Gleiteigenschaften. Bei einem hohen Metallanteil besitzen die Metallgraphitbürsten im Vergleich zu klassischen Graphitbürsten erkenntlich ein höheres Gewicht. Daher ist es unter bestimmten Umständen notwendig und erforderlich, einen erhöhten Anpressdruck zu sichern. Die höchsten Umfangsgeschwindigkeiten betragen 30 m·s^–1. Bei dem Metallgehalt können die Strombelastungen im Dauerbetrieb bis 25 A·cm^–2 liegen.The materials of the type of metal graphite are made of graphite and metal powders, preferably made of copper. They are characterized by a relatively high electrical conductivity. Depending on the metal content and its composition, the specific electrical resistance of the graphite moves with a metal in the range of 0.1 to 10 μΩm. This will result in low contact resistance and transient voltages. The graphite implanted in a material offers good sliding properties. With a high metal content, the metal graphite brushes have a higher weight compared to classic graphite brushes. Therefore, under certain circumstances, it is necessary and necessary to ensure increased contact pressure. The highest peripheral speeds are 30 m · s ^-1 . For the metal content, the current loads in continuous operation can be up to 25 A · cm ^-2 .

Der Werkstoff Kohlenstoff-Graphit liegt zwischen dem harten Kohlenstoff und Elektrographit. Er hat auch bestimmte Schleif- und Glanzeigenschaften. Dies ist aber sehr wenig ausdrucksvoll, da die einfache Isolation des Kommutators nicht verschleißen kann. Das Hauptanwendungsgebiet sind universelle Motoren mit einer vertieften Lamellenisolation. Der Werkstoff ist dort verwendet, wo die Elektrographitbürsten eine ungenügende Reinigungsfähigkeit haben, der harte Kohlenstoff aber infolge der hohen Reibung nicht angewendet ist. Die zulässige Umfangsgeschwindigkeit beträgt 25 m·s^–1, die Strombelastungen sind bis zu 8 A·cm^–2 zulässig. Das Hauptanwendungsgebiet der Graphitbürsten stellen Niederspannungsmaschinen mit hohen Stromdichten und nicht allzu extremen Kommutierungsansprüchen und auch Gleitringe mit höheren Stromdichten der Bürste dar.The material carbon-graphite lies between the hard carbon and electrographite. He also has certain grinding and gloss properties. However, this is not very expressive because the simple isolation of the commutator can not wear out. The main field of application are universal motors with recessed lamellar insulation. The material is used where the electrographite brushes have insufficient cleanability but the hard carbon is not used due to high friction. The permissible peripheral speed is 25 m · s ^-1 , the current loads are permitted up to 8 A · cm ^-2 . The main field of application of graphite brushes are low-voltage machines with high current densities and not too extreme commutation requirements and also sliding rings with higher current densities of the brush.

Damit ist es möglich, das Betriebsverhalten der Graphitbürsten unabhängig vom Material zu ändern. Neben den Blockbürsten sind noch weitere Formen von Graphitbürsten entwickelt, die dazu dienen, dass der Gleitkontakt der Graphitbürste den spezifischen elektrischen und mechanischen Verhältnissen und auch den Umgebungsbedingungen angepasst wird. Damit sind die Betriebseigenschaften der Maschine verbessert.This makes it possible to change the operating behavior of the graphite brushes regardless of the material. In addition to the block brushes, other forms of graphite brushes have been developed, which serve to adapt the sliding contact of the graphite brush to the specific electrical and mechanical conditions as well as the environmental conditions. This improves the operating characteristics of the machine.

Bei den zweifachen und dreifachen Graphitbürsten ist eine Blockbürste in zwei oder drei gleich große in Tangentialrichtung nebeneinander angeordneten Teilbürsten zur Sicherung von guten Kontaktbedingungen getrennt. Jede Teilbürste besitzt eine zugeordnete Stromzufuhr. Dabei ist es wichtig, dass alle Teilbürsten zur Rotoroberfläche gleichmäßig angedrückt werden. Das ist am besten ohne Armaturen-Graphitbürsten dadurch erreicht, dass mit Hilfe einer kleinen Platte aus Gummi oder gehärtetem Gewebe die obere Seite der Bürste beigelegt oder verklebt ist. Neben einer gleichmäßigen Druckverteilung ist dies auch mit dem Plättchen gezielt erreicht. Die Teilbürsten können um einen bestimmten Abstand in Radialrichtung gegeneinander unabhängig verschoben werden. Die Bürste kopiert dann besser die Unebenheiten der Abrundung des Kommutators. Die Verteilung der Bürstenmasse bildet dazu bei unrunden Kommutatoren kleinere Tragheitskräfte bzw. Beschleunigungskräfte, sodass die Kontaktstellen am Kommutator mechanisch weniger belastet sind. Es ist eine Bindungsauflösung zwischen der Bürstenmasse und dem Druckhebel mittels der am oberen Teil der Bürste bestückten Gummiunterlage bei den Bürstenhaltern mit Druckhebeln erlangt. Dies hat bei Vibrationen oder bei unrunden Kommutatoren eine Verminderung der Rückkräfte zwischen der Graphitbürste und dem Kommutator und gleichzeitig auch eine Änderung des Schwingungsvorgangs zur Folge.In the case of the double and triple graphite brushes, a block brush is separated into two or three equally sized part brushes arranged side by side in the tangential direction for securing good contact conditions. Each sub-brush has an associated power supply. It is important that all brushes are pressed evenly to the rotor surface. This is best achieved without dashboard graphite brushes by using a small plate of rubber or hardened fabric to attach the top of the brush or is glued. In addition to a uniform pressure distribution, this is also achieved with the plate targeted. The partial brushes can be moved independently of each other by a certain distance in the radial direction. The brush then better copies the unevenness of the rounding of the commutator. The distribution of the brush mass forms for non-circular commutators smaller inertial forces or acceleration forces, so that the contact points on the commutator are mechanically less stressed. There is a binding dissolution between the brush mass and the pressure lever by means of the stocked on the upper part of the brush rubber pad in the brush holders with pressure levers obtained. In the case of vibrations or in the case of non-circular commutators, this results in a reduction in the return forces between the graphite brush and the commutator and at the same time also a change in the oscillation process.

Die Ausführungen der Bürste mit einem Metallbügel, der auf der Teilbürste zum Zweck einer Druckverteilung versetzt ist, gewähren solche Vorteile nur teilweise. Die zweifachen oder dreifachen Graphitbürsten haben eine größere Menge an Kontaktstellen zwischen der Aktivfläche der Graphitbürste und des Kommutators. Dies führt zu einer Verminderung der örtlichen Stromdichte gegenüber dem Blockkohlenstoff. Das ist gleichzeitig mit einer Verlängerung der Kommutationszeit verbunden, sodass die Kommutierungsbelastung vermindert ist.The embodiments of the brush with a metal bracket, which is offset on the part of the brush for the purpose of pressure distribution, grant such advantages only partially. The double or triple graphite brushes have a larger amount of contact points between the active surface of the graphite brush and the commutator. This leads to a reduction of the local current density compared to the block carbon. This is simultaneously associated with an extension of the commutation time, so that the Kommutierungsbelastung is reduced.

Weiterhin gibt es auch Spreizgraphitbürsten. Dabei handelt es sich um eine Sonderform der doppelten Bürsten. Beide Teilbürsten haben dabei eine obere in der Richtung zur Mitte der Bürste geneigte Seite.Furthermore, there are also Spreizgraphitbürsten. This is a special form of double brushes. Both partial brushes have an upper side inclined in the direction of the center of the brush.

Bei Bürstenhaltern mit einem Hebel mit der Gründung eines angepassten Druckteils oder bei Bürstenhaltern mit einer zusammengedrehten Bandfeder sind diese Bürstenhalter mit Hilfe einer Federrolle an die Kommutatoroberfläche angedrückt. In jedem Fall sind beide Teilbürsten bei der Sicht auf den Bürstenkopf gespreizt, sodass der Spielraum zwischen der Graphitbürste und dem Haltergehäuse verkleinert oder ganz eliminiert ist. Im Betrieb der Maschine mit einer Inklination zur Schwingung entsteht ein besserer Kontakt mit dem Kommutator infolge einer größeren durch die Verspreizung verursachten Reibung zwischen der Graphitbürste und der inneren Wand des Haltergehäuses.In brush holders with a lever with the establishment of a customized pressure part or brush holders with a twisted band spring these brush holder are pressed by means of a spring roller to the commutator. In any case, both partial brushes are spread when looking at the brush head, so that the clearance between the graphite brush and the holder housing is reduced or eliminated. In operation of the machine with vibration inclination, better contact is made with the commutator due to greater friction between the graphite brush and the inner wall of the holder housing caused by the spread.

Bei einer sehr schweren Kommutation ist es möglich, Schichtbürsten zur Eliminierung des starken Funkenüberschlags, der Lamellenbeflammung und des großen Abriebs anzuwenden. Diese bestehen aus Zweifach- oder Dreifachbürsten, die aus zwei oder mehreren in Tangentialrichtung gegeneinander versetzten Teilbürsten bestehen, die aufeinander entweder stark widerstandsmäßig oder ganz isoliert verklebt sind. Damit ist der Längswiderstand im Kommutationskreis erhöht, und die Kommutation ist verbessert. Die Stromzufuhr zu einer solchen Bürste ist so ausgeführt, dass jede Teilbürste, d. h. jede Schicht, mit einer eigenen Stromzufuhrlitze ausgerüstet ist. Bei Zweischichtbürsten sind solche Litzen im Bereich der Klebeschicht befestigt, sodass beide Kohlenstoffteile einen gleichen Kontakt haben. Die direkte Verbindung einzelner Schichten hat zu Folge, dass der Querwiderstand nicht viel erhöht ist. In vielen Fällen genügt der Querwiderstand aber zu einer ersichtlichen Verbesserung der Kommutation. Eine wesentliche Erhöhung ist dadurch zu erreichen, dass der Strom über einen stark widerstandsmäßig auf die Teilbürsten geklebten Kohlenstoff-Kopfteil zugeleitet ist. Dann handelt es sich um Schichtbürsten mit einem Widerstandskopf. Diese Ausführung ist aber aufwändig und teuer. Die dünne aber relativ harte Klebeschicht leistet neben der Erhöhung des Querwiderstands auch eine schwache Reinigungswirkung, die sich auf dem Kontakt zwischen der Graphitbürste und dem Kommutator durchsetzt. Bei Mehrmaterial-Graphitbürsten sind einzelne Schichten mit verschiedenen Werkstoffen gebildet. Die speziellen Eigenschaften der Schichtgraphitbürsten sind erst in dem Fall voll durchgesetzt, wenn alle Teilbürstenschichten den Kommutator berühren. Dies ist die Voraussetzung für einen ruhigen Gang der Maschine.In a very heavy commutation, it is possible to use layer brushes to eliminate the strong flashover, lamellar flaming and large abrasion. These consist of double or triple brushes, which consist of two or more in the tangential direction staggered part brushes, which are glued to each other either highly resistant or completely isolated. Thus, the series resistance in the commutation circuit is increased, and the commutation is improved. The power supply to such a brush is designed so that each partial brush, d. H. Each layer is equipped with its own power supply cable. In the case of two-layer brushes, such strands are fastened in the area of the adhesive layer so that both carbon parts have the same contact. The direct connection of individual layers has the consequence that the transverse resistance is not much increased. In many cases, however, the transverse resistance suffices for an apparent improvement of the commutation. A significant increase can be achieved in that the current is fed via a highly resistant to the partial brushes glued carbon header. Then it is layer brushes with a resistive head. This design is complicated and expensive. The thin but relatively hard adhesive layer, in addition to increasing the transverse resistance and a weak cleaning effect, which prevails on the contact between the graphite brush and the commutator. In multi-material graphite brushes, individual layers are formed with different materials. The special properties of the layer graphite brushes are fully enforced only in the case when all partial brush layers touch the commutator. This is the prerequisite for a quiet gear of the machine.

Bei den bekannten Konstruktionen der Bürsten ist die Bürstenlitze durch einen biegsamen Leiter gebildet, der aus Drahtlitzen gebundenen Kupferdrähtchen verdreht ist. Diese Bürste dient zur Stromübertragung aus einem rotierenden Teil, zum Beispiel einem Kommutator, eventuell einem Ring, in einen festen Teil einer Elektromaschine. Es ist bekannt, dass der Bürstenhalter ein guter Stromleiter ist. Deshalb erfordert die Entfernung des mit ihm geleiteten Stroms entsprechende Maßnahmen. Der Strom kann aus dem Kommutator in den festen Teil der Elektromaschine über verschiedene Wege strömen, und zwar in Abhängigkeit vom Widerstand der Leistungswege. Die Stromleitung über einen niederohmschen Kontakt ist optimal. Die Litze muss genügend biegsam sein, damit sie die Bewegung der Bürste nicht verhindert, die auch den Unebenheiten auf der Kommutatoroberfläche folgen muss.In the known constructions of the brushes, the brush strand is formed by a flexible conductor which is twisted from wire strands bound copper wires. This brush is used for power transmission from a rotating part, for example a commutator, possibly a ring, in a fixed part of an electric machine. It is known that the brush holder is a good conductor of electricity. Therefore, the removal of the current conducted with it requires appropriate measures. The current can flow from the commutator into the fixed part of the electric machine via different paths, depending on the resistance of the power paths. The power line via a low-resistance contact is optimal. The strand must be sufficiently flexible so that it does not prevent the movement of the brush, which must also follow the unevenness on the commutator surface.

Die Litzen für die Graphitbürsten bestehen aus weichen leitfähigen Kupferdrähtchen. Die Litzen müssen welch und biegsam sein. Nach dem Schneiden dürfen deren einzelne Fasern nicht eigenmächtig zerfallen.The strands for the graphite brushes are made of soft conductive copper wires. The strands must be which and flexible. After cutting, their individual fibers must not disintegrate on their own.

Bei den Elektromaschinen mit großen Schwingungen ist empfohlen, die biegsamen Litzen mit einigen Stahlhaltern zu sichern. Die Litzen sind dann fester, und mit deren Flexibilität reduzieren sie teilweise die Vibrationen.For large vibration electric machines, it is recommended to secure the flexible strands with some steel holders. The strands are then stronger, and with their flexibility, they partially reduce the vibrations.

Der Werkstoff für die Drähtchen mit einem Durchmesser von 0,063 und 0,071 mm ist weiches leitfähiges Kupfer. Die Kupferdrähte sind aus dem sog. OFHC-Kupfer erzeugt. Der spezifische Widerstand dieser Qualität ist ρ = 0,01786 Ωmm²m^–1 und das spezifische Gewicht γ = 8,9 kpdm^–3. Für einige größere Querschnitte der Litzen ist auch ein Drähtchen mit einem ⌀ von 0,112 mm verwendet, insbesondere bei Bürsten für Triebmotore mit großen Leistungen. The material for the wires with a diameter of 0.063 and 0.071 mm is soft conductive copper. The copper wires are made of the so-called OFHC copper. The specific resistance of this quality is ρ = 0.01786 Ωmm ² m ^-1 and the specific gravity γ = 8.9 kpdm ^-3 . For some larger cross-sections of the strands, a wire with a ⌀ of 0.112 mm is also used, especially in brushes for traction motors with high power.

Brechbarkeit von Litzen. Dieses Problem entsteht, wenn die Litzen in die Bürstenwerkstoffe eingepresst sind. Sie brennen dann mit den Kohlenstoffen aus. Der Brennprozess ist meistens in einer Wasserstoffatmosphäre in einem Ofen vorgenommen. Dabei geschieht es sehr oft, dass die Litzen nach dem Brennprozess durch den Einfluss der Wasserstoffkrankheit ganz zerbröselt sind. Diese Erscheinung entsteht im Kupfer schon bei einem Gehalt von 0,04% O₂. Eine Eliminierung kann erst durch eine zusätzliche Verstemmung der schon ausgebrannten Bürsten erfolgen.Breakability of strands. This problem arises when the strands are pressed into the brush materials. They then burn out with the carbons. The burning process is usually done in a hydrogen atmosphere in an oven. It happens very often that the strands are completely crumbled after the firing process by the influence of hydrogen disease. This phenomenon occurs in copper even at a content of 0.04% O ₂ . An elimination can be done only by an additional caulking of already burned out brushes.

Die Litzen sind durch Stauchen angeschlossen, bei dem die Litze in eine Gewindebohrung oder in eine konische Bohrung mit einem Gegenkonus eingelegt ist. Die Bohrung ist etwas größer als der Durchmesser der Litze. Dieser Zwischenraum wird in einer speziellen Maschineneinrichtung mit Pulverkupfer ausgefüllt. Es ist der niedrigste Übergangswiderstand erlangt, und der längste Arbeitsteil der Bürste bleibt.The strands are connected by upsetting, in which the strand is inserted into a threaded bore or into a conical bore with a counter-cone. The hole is slightly larger than the diameter of the strand. This space is filled in a special machine device with powder copper. It achieves the lowest contact resistance, and the longest working part of the brush remains.

Beim Auswalzen ist die Litze über einem Kopf eines Zylinderniets befestigt. Wenn es erforderlich ist, an der Bürste zwei Litzen zu befestigen, ist die eine Litze von einer Seite und die zweite Litze von der anderen Seite angeschlossen. Der Zylinderniet wird ausgewalzt. Diese Verbindung hat große Mängel, vor allem in dem Fall, wenn die Litze nur um den Zylinderniet gedreht ist.When rolling, the strand is fastened over a head of a cylinder rivet. When it is necessary to attach two strands to the brush, one strand is connected from one side and the second strand from the other side. The cylinder rivet is rolled out. This connection has great shortcomings, especially in the case when the strand is turned only around the cylinder rivet.

Eine weitere Möglichkeit ist der Anschluss der Zuführung durch Schrauben. Die Bohrungen werden wie im vorhergehenden Fall aufgebohrt und verkupfert, und die Litze ist mit Hilfe einer Schraube befestigt. Der Vorteil ist, dass die Schraube und die Litze mehrfach zu verwenden sind. In der Praxis ist dies selten angewandt.Another possibility is the connection of the feeder by screws. The holes are drilled and coppered as in the previous case, and the strand is fastened by means of a screw. The advantage is that the screw and the strand are to be used several times. In practice, this is rarely used.

Bei der Anwendung einer Armierung ist ein verzinktes Ende der Litze in einen Hals gesteckt, der in einer Armatur gebildet ist. Dann ist die Litze von der unteren Seite mit Zinn verbunden. Die auf diese Weise vorbereitete Hülse ist an der Bürste befestigt und mit Hilfe eines Zylinderniets am Bürstengehäuse fixiert. Der Bürstenkopf muss so abgefräst sein, dass beide Enden des Niets die Bürstenbreite nicht übergreifen. Dieser Armaturtyp ist wenig stabil. Der Niet kann sich nach einer Zeit lösen, und der gesamte Übergangwiderstand wird sehr stark erhöht.When using a reinforcement, a galvanized end of the strand is inserted into a neck formed in a fitting. Then the strand is connected with tin from the lower side. The prepared in this way sleeve is attached to the brush and fixed by means of a Zylinderniets on the brush housing. The brush head must be milled so that both ends of the rivet do not overlap the brush width. This type of fitting is not very stable. The rivet may break loose after a while, and the overall junction resistance is greatly increased.

In einigen Fällen ist ein Einpressen verwendet. Die Litze ist mit Hilfe eines speziellen Zubehörs in eine Presse eingeführt, und zusammen mit der ausgepressten Bürste bleibt sie im Werkstoff eingepresst. Diese Technologie ist nur bei Kupfergraphiten verwendet. Dabei bestehen Probleme mit dem Brennprozess, denn die Litze ist dabei manchmal brüchig und zerbröselt, wenn auch eine Schutzatmosphäre im Ofen verwendet wird.In some cases, a press-fit is used. The stranded wire is inserted in a press with the help of a special accessory, and together with the pressed-out brush, it remains pressed into the material. This technology is only used with copper graphite. There are problems with the burning process, because the strand is sometimes brittle and crumbles, even if a protective atmosphere is used in the oven.

Beim Anlöten wird die Bürste durchbohrt, und auf einer Seite wird die Bohrung erweitert. Nach dem Durchziehen der Litze wird deren Ende ein wenig entwunden und in dem erweiterten Teil angelötet, am häufigsten mit Zinn. Damit die Verbindung fester wird, wird der verzinnte Teil der Litze in die konische Bohrung zusätzlich gedrückt, womit eine festere Verbindung gebildet wird. Diese Weise wird nicht angewendet, weil bei dieser Art noch eine Cu-Applikation auf der Oberfläche der Bürste vorausgesetzt wird.When soldering, the brush is pierced, and on one side, the bore is widened. After passing through the strand, its end is slightly unwound and soldered in the widened part, most often with tin. To make the connection stronger, the tinned part of the strand is additionally pressed into the conical bore, thus forming a stronger connection. This method is not used because in this way a Cu application on the surface of the brush is required.

Zur Verhinderung der Abnutzung des Bürstenkopfs und des Druckdaumens vom Bürstenhalter ist eine Blecharmatur an der Bürste befestigt. Diese Blecharmatur kann in der Form einer Schutzdämmung ausgebildet sein, die aus einem am Bürstenkopf montierten Messingblech besteht. Der Halterdaumen macht auch bei stärkeren Aufschlägen das Bürstengraphitgehäuse weich, weil er auf die Blechverwahrung drückt.To prevent the wear of the brush head and the pressure thumb from the brush holder, a sheet metal fitting is attached to the brush. This sheet metal fitting may be formed in the form of a protective insulation, which consists of a mounted on the brush head brass sheet. The holder thumb makes the brush graphite housing soft even with stronger impacts because it presses on the sheet metal storage.

Die Isolationsdämmung ist insbesondere in dem Fall angewandt, wenn ein unkontrollierbarer Stromdurchgang durch die Armatur verhindert werden soll. Der Halterdaumen drückt auf den Gummi oder das Kunststoffgewebe, das entweder geklebt oder in den Bürstenkopf gesteckt ist. Diese Ausführung ist die geeignetste und erweitertste Art. Es besteht aber ein Problem einer Gummisicherung gegen Schubkräfte.The insulation insulation is particularly applied in the case when an uncontrollable passage of current through the valve should be prevented. The holder thumb pushes on the rubber or the plastic fabric, which is either glued or inserted into the brush head. This version is the most suitable and advanced type. However, there is a problem of rubber retention against shear forces.

Die Leitungsisolierung ist bei weichen Graphitstoffen hauptsächlich dort verwendet, wo ein Problem mit dem Schlagen der Litze sowie mit der Bürstenkopfsicherung gegen Schläge des harten Halterdaumens auftritt. Mit Rücksicht darauf, dass die Armatur sich in der Praxis lockern kann, ist sie nicht oft angewandt.The line insulation is mainly used in soft graphite materials where there is a problem with the hitting of the strand as well as with the brush head protection against impacts of the hard holder thumb. Considering that the fitting can relax in practice, it is not often used.

Am häufigsten sind Bürsten ohne Metallarmatur nur mit Dämpfungsunterlagen gefertigt, weil eine solche Ausfertigung billiger ist und die häufigen Schwingungen besser verträgt, denen die Bürsten ausgesetzt sind. Der untere Gummi ist auf den Kohlenstoff geklebt, und auf die obere Seite ist eine kleine Metallplatte geklebt, damit der Halterdaumen den weichen Gummi nicht beschädigt. Dazu verteilt die harte Dämpfungsunterlage die Kräfte auf beide Teile der Doppelbürste. Das Problem ist der Klebestoff, der auch bei erhöhter Temperatur hält. Die Seitenschubkräfte werden mit Vorsprüngen aufgefangen. Das geeignetste Mittel dafür ist ein Silikongummi, der die geforderten Temperaturen verträgt und nicht altert. Als Klebestoffe sind entweder Epoxid- oder Polyurethankleber verwendet.Brushes without a metal fitting are most commonly made with damping pads only because such a finish is cheaper and better tolerates the frequent vibrations to which the brushes are subjected. The lower rubber is glued on the carbon, and on the upper side is glued a small metal plate, so that the holder thumb does not damage the soft rubber. In addition the distributed hard damping pad forces on both parts of the double brush. The problem is the adhesive, which keeps even at elevated temperature. The lateral thrust forces are absorbed by protrusions. The most suitable means for this is a silicone rubber that can withstand the required temperatures and does not age. Adhesives used are either epoxy or polyurethane adhesives.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Bürste für eine Elektromaschine zu entwickeln, die die Mängel der bekannten Bürsten vermeidet.It is an object of the invention to develop a brush for an electric machine, which avoids the shortcomings of the known brushes.

Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The stated object is solved by the features of claim 1.

Die oben genannten Mängel der bekannten Bürsten sind im gerüttelten Maß mit der mit einer stromleitenden Litze ausgerüsteten Bürste einer Elektromaschine beseitigt. Das Wesentliche ist, dass mindestens deren Teil aus Kohlenstoff-Nanomaterialien gefertigt ist.The above-mentioned shortcomings of the known brushes are eliminated in a shaken measure with the brush of an electric machine equipped with a current-conducting stranded wire. The essential is that at least their part is made of carbon nanomaterials.

Die Bürste ist aus einem Bund von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit dem Vorteil erzeugt, dass deren Durchmesser 1 bis 100 nm beträgt. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen können in dem Bund in Form eines Netzes zusammengeflochten sein, das in der geforderten Form zusammengewickelt und geformt ist.The brush is made from a bundle of carbon nanotubes with the advantage that their diameter is 1 to 100 nm. The carbon nanotubes may be woven together in the bundle in the form of a net which is co-wound and shaped in the required form.

Der Bürstenauslass ist mit der Ausführung in einer günstigen Durchführung mit verschiedener Geometrie ausgerüstet. Die Litze ist in den Nanoröhrchenbund gesteckt oder auch in anderer Weise elektrisch leitfähig angeschlossen. Die Bürste ist mit optischen Fasern und Bohrungen ausgerüstet.The brush outlet is equipped with the execution in a favorable implementation with different geometry. The stranded wire is plugged into the nanotube bundle or else electrically conductively connected in another way. The brush is equipped with optical fibers and holes.

Die Bürste ist vorteilhaft mit Teflon, Metall oder Kohlenstoff ausgefüllt, wobei verschiedene Werkstoffe in deren verschiedenen Schichten verwendet sind.The brush is advantageously filled with Teflon, metal or carbon, using different materials in their different layers.

Die Bürste für eine Elektromaschine ist aus Kohlenstoff-Nanomaterialien hergestellt, und als Nanoröhrchen, Nanonetz usw. ausgebildet. Diese können in dem Bund strukturiert sein, eventuell in Form eines Nanogewebes, das in einem geeignet geformten Bund zusammengewickelt ist.The brush for an electric machine is made of carbon nanomaterials, and formed as nanotubes, nano mesh, etc. These may be structured in the waistband, possibly in the form of a nano-fabric, which is wrapped in a suitably shaped waistband.

Die Bürste ist in Pyramidenform ausgebildet oder ist in eine Abdeckung in Pyramidenform gesteckt.The brush is formed in pyramidal shape or is inserted in a cover in pyramidal shape.

Die angeführte Lösung bringt vor allem eine Elastizitätserhöhung und ermöglicht die Ausnutzung des kapillaren Effekts und weiterer Effekte. Sie ermöglicht eine Imprägnierung mit verschiedenen Materialien und in verschiedenen Phasen des in verschiedenen Prinzipien bestehenden Erzeugungsvorgangs leitfähig und nichtleitend. Es ist die Kontaktbildung zwischen der Bürste und dem Kommutator oder dem Ring verbessert. Damit ist die Degradation der äußeren Oberfläche des Kommutators oder des Rings sichergestellt. Die Imprägnierung der Bürste mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, zum Beispiel in bestimmter Höhe der Bürste, ermöglicht die Ausführung von hochwerten Auslässen aus den Bürsten. Der Auslass ist in kurzer Strecke abzuwickeln. Damit ist es möglich, die Nutzungsdauer der Bürsten zu verlängern. Es ist auch möglich, den Querwiderstand der Bürste auf geeignete Weise zu modifizieren bzw. auch zu steuern und damit die Qualität der Maschinenkommutation effektiv zu beeinflussen. Es sind dabei einige technologische Arbeitsgänge zu eliminieren, z. B.: die Herstellung der Stemmpulver, das Stemmen, die Armierung einiger Bürsten, die Bohrung in die Bürste, das Scheiden der komplizierten geometrischen Formen, die Herstellung verschiedener Mittel usw. Durch die Innovation der Bürste ist es möglich, die Herstellung nicht nur beträchtlich zu vereinfachen, sondern auch in deren Verlauf progressive Technologien auszunutzen.Above all, the mentioned solution increases the elasticity and makes it possible to exploit the capillary effect and other effects. It allows impregnation with different materials and in different phases of the generation process in different principles conductive and non-conductive. It improves the contact formation between the brush and the commutator or the ring. Thus, the degradation of the outer surface of the commutator or the ring is ensured. The impregnation of the brush with an electrically conductive material, for example at a certain height of the brush, allows the execution of high quality outlets from the brushes. The outlet is to be completed within a short distance. This makes it possible to extend the useful life of the brushes. It is also possible to suitably modify or also control the transverse resistance of the brush and thus to effectively influence the quality of the machine commutation. There are some technological operations to be eliminated, z. The production of stem powders, the stalking, the reinforcement of some brushes, the drilling in the brush, the shearing of complex geometrical shapes, the production of various means, etc. The innovation of the brush makes it possible not only to considerably increase the production but also in the course of exploiting progressive technologies.

Die Nanoröhrchen sind in Bünden zusammengeflochten, weiter zusammengerollt und erst dann in die geforderten Formen gebracht. Dabei sind auch komplizierte Formen anzuwenden, die einer optimalen Geometrie – vom Gesichtspunkt mechanischer, Wärme-, EMC-, chemischer und anderer Eigenschaften – entsprechen. Die Nanoröhrchen ermöglichen einen Übergang aus der Bürstenausführung in ein eigenes Bürstengehäuse. Die Bürstenausführungen sind in verschiedener Geometrie und eventuell auch mit abgestuftem Durchmesser so vorzunehmen, dass eine optimale Stromverteilung erzielt ist. Es sind verschiedene Geometrien der Nanomaterialien auszunutzen und damit die Grundparameter der Bürste zu beeinflussen. Die Nanomaterialien ermöglichen die Bildung eines kapillaren Auftriebs im Bereich der Kontaktzone und damit auch residuales H₂O zu absorbieren. Die Bürsten sind zu jeder Maschine ganz individuell und mit optimalen Parametern zu bereiten. Mit der Ausnutzung der Nanomaterialien sind die Stromleitungen durch den Bürstenhalter zu eliminieren. Bei der Anwendung in einzelnen Teilnanoröhrchen sind auch die Kohlenstoff-Halbleiter zu bilden und deren Parameter einzustellen. Damit sind die Nanoröhrchen durch die Komponenten der elektronischen Einrichtungen zu ersetzen, auch die EMC sind unmittelbar und problemlos zu eliminieren. Bei diesen Bürsten sind der Reibungskoeffizient, die Werkstoffkennziffern und der Stromleitungscharakter im Zwischenkontaktraum zu beeinflussen.The nanotubes are bundled in bundles, further rolled up and only then brought into the required shapes. It is also necessary to use complicated shapes which correspond to an optimal geometry - from the point of view of mechanical, thermal, EMC, chemical and other properties. The nanotubes allow a transition from the brush design into a dedicated brush housing. The brush designs are to be made in different geometry and possibly also with graduated diameter so that an optimal current distribution is achieved. Different geometries of the nanomaterials are to be exploited, thus influencing the basic parameters of the brush. The nanomaterials allow the formation of a capillary buoyancy in the region of the contact zone and thus also to absorb residual H ₂ O. The brushes have to be prepared individually for each machine and with optimal parameters. With the utilization of the nanomaterials, the power lines are to be eliminated by the brush holder. When used in individual partial nanotubes and the carbon semiconductor to form and adjust their parameters. This means that the nanotubes have to be replaced by the components of the electronic devices, and the EMC can be eliminated directly and without any problems. In these brushes, the coefficient of friction, the material code numbers and the current line character in the intermediate contact space are to be influenced.

Das Kohlenstoff-Nanoröhrchen stellt eine spezielle im Jahr 1991 entdeckte Form des Kohlenstoffs dar. Der Durchmesser von Nanoröhrchen beträgt 1 bis 100 nm, und ihre Länge kann mehr als 100 um betragen. Die Nanoröhrchen sind einschichtig oder aus einigen Schichten zusammengesetzt. Sie widerstehen einer Temperatur bis 2000°K und sind chemisch stabil. Sie weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Festigkeit und gute mechanische Eigenschaften auf.The carbon nanotube represents a special form of carbon discovered in 1991. The diameter of nanotubes is 1 to 100 nm, and their length may be more than 100 μm. The nanotubes are single-layered or composed of several layers. They withstand temperatures up to 2000 ° K and are chemically stable. They have good thermal conductivity, high strength and good mechanical properties.

Die Nanoröhrchen mit einer Abmessung kleiner als 10 nm sind unter solche Abmessungen eingegliedert, bei denen die Quanteneigenschaften die Molekulareigenschaften beherrschen. Das führt zur Bildung von unikalen elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Zum Beispiel beträgt der spezifische Widerstand um 8 uΩm·m.Nanotubes smaller than 10 nm in size are included in those dimensions where the quantum properties dominate the molecular properties. This leads to the formation of unique electrical and magnetic properties. For example, the resistivity is around 8 μΩ · m.

In Abhängigkeit von der Struktur des Nanoröhrchens können sich Eigenschaften eines Halbleiters und eventuell auch von Metallen äußern. Beträgt der Durchmesser des Nanoröhrchens 1 um, dann beträgt der Querschnitt 1,43·10^–18 m². Bei einer Belastung von 100 nN ist eine Spannung von 70 GPa erreicht, und die Verformung beträgt 6,6%. Das Jung-Modul beträgt E = 1060 GPa. Die Einlagenrohre biegen sich, und die Mehrlagenrohre bleiben eben.Depending on the structure of the nanotube, the properties of a semiconductor and possibly also of metals can be expressed. If the diameter of the nanotube is 1 μm, the cross section is 1.43 × 10 ^-18 m ² . At a load of 100 nN, a stress of 70 GPa is reached, and the deformation is 6.6%. The young module is E = 1060 GPa. The liner pipes bend, and the multilayer pipes remain flat.

Bei Bürsten in Pyramidenform oder bei Bürsten, die in einer Abdeckung in Pyramidenform eingebracht sind, kommt es zu einer langsameren Abnutzung,
Vorteile der angeführten Lösung sind vor allem eine universelle Ausführung der Bürsten, deren Preis, Betriebsökonomie, die ökologische Lösung, die Lebensdauer und minimale Wartungsansprüche. Die Bürsten sind für kleine Maschinen und Mikromaschinen besonders gut geeignet, wobei bestehende Herstellungstechnologien mit großem Arbeitsaufwand und Ausschussanteil anwendbar sind.In brushes in pyramidal shape or brushes, which are incorporated in a cover in pyramid shape, it comes to a slower wear,
Advantages of the mentioned solution are above all a universal execution of the brushes, their price, operating economy, the ecological solution, the life span and minimal maintenance requirements. The brushes are particularly well suited for small machines and micromachines, whereby existing manufacturing technologies with a high workload and rejects are applicable.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to FIGS. Show it:

1 eine flexible Nanostruktur, 1 a flexible nanostructure,

2a–2c Strukturmodelle von Einschichtnanoröhrchen, 2a - 2c Structural models of single-layer nanotubes,

3a–3e die Zusammensetzung einzelner Fasern von Nanoröhrchen, 3a - 3e the composition of individual fibers of nanotubes,

4a u. 4b Kohlenstoffzwiebelstrukturen mit fünf Schichten aus konzentrischen Fullerenen der Symmetrieachse, 4a u. 4b Carbon onion structures with five layers of concentric fullerenes of the symmetry axis,

5a–5c mögliche Zusammensetzungen zur Bürstenherstellung in der Form einer zusammengesetzten Struktur eines Prismas und einer Rolle und 5a - 5c possible compositions for brush production in the form of a composite structure of a prism and a roll and

6 schematisch eine Bürste aus einem Nanogewebe. 6 schematically a brush of a nano-fabric.

Die Ausführung der Bürste aus Nanomaterial kann als Bürste von Nanoröhrchen oder als Bürste aus einem Nanogewebe durchgeführt sein. In dem ersten Fall hängt die Konstruktionsausführung von Maschinenkubatur, Betriebsumdrehungen, Umgebung, Stromwert, Vibrationsniveau usw. ab. Das Nanogewebe kann aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff oder aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, zum Beispiel aus Kohlenstoff, gebildet sein. In diesem Fall ist das Nanogewebe in der geforderten Form gerollt, eventuell gepresst. Die Bürstengeometrie ist geformt, mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff imprägniert und eventuell durch Lahnfäden angeschlossen. Für einige Applikationen ist eine Sandwichstruktur zu wählen. In einem solchen Fall ist die Bürstengeometrie durch eine fortschreitende Zusammensetzung einzelner Schichten aufeinander, Zusammenpressen, Imprägnierung und eventuell durch Anschluss der Bürstenausführungen gebildet.The design of the nanomaterial brush may be performed as a nanotube brush or as a nano-mesh brush. In the first case, the design execution depends on machine cubature, operating revolutions, environment, current value, vibration level, etc. The nano-tissue may be formed of an electrically non-conductive material or of an electrically conductive material, for example of carbon. In this case, the nano-tissue is rolled in the required form, possibly pressed. The brush geometry is shaped, impregnated with an electrically conductive material and possibly connected by Lahnfäden. For some applications, a sandwich structure should be chosen. In such a case, the brush geometry is formed by a progressive composition of individual layers on each other, compression, impregnation and possibly by connecting the brush designs.

Die Bürste muss nicht mit Lahnfäden ausgerüstet sein, und die Stromzuleitung kann mit dem Bürstenhalter ausgeführt sein, der mindestens teilweise aus Teflon besteht.The brush need not be equipped with barbed threads, and the power supply may be made with the brush holder, which is at least partially made of Teflon.

Die mit einer stromleitenden Litze ausgerüstete Bürste für eine Elektromaschine findet Durchsetzung vor allem bei Elektromotoren, Einrichtungen zur Stromübertragung aus einem stationären Teil in einen Rotationsteil, Erdungen von Bauteilen usw.The equipped with an electrically conductive wire brush for an electric machine finds enforcement especially in electric motors, means for power transmission from a stationary part in a rotary part, grounding of components, etc.

Claims

Brush for an electric machine, characterized in that at least their parts are made of carbon nanomaterials.

Brush according to claim 1, characterized in that it is produced from a bundle of carbon nanotubes whose diameter is 1 to 100 nm.

A brush according to claim 1, characterized in that it is made of carbon nanotubes braided in a bundle in the form of a net, the net being wound and shaped in a required shape.

Brush according to one of claims 1 to 3, characterized in that it is designed in the embodiment with different geometry.

Brush according to one of claims 1 to 4, characterized in that the strand is inserted into the nanotube bundle.

Brush according to one of claims 1 to 5, characterized in that it is equipped with optical fibers.

Brush according to one of claims 1 to 6, characterized in that it is equipped with at least one through hole.

Brush according to one of claims 1 to 7, characterized in that it is filled with Teflon, metal and / or carbon.

Brush according to claim 8, characterized in that different materials are used in their different layers.

Brush according to one of claims 1 to 9, characterized in that it has a pyramidal shape or is incorporated in a cover in pyramidal shape.