Kohlenbürste. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kohlenbürsten, insbesondere auf solche Bür sten, die befähigt sind, mit an dynamoelektri schen Maschinen angebrachten Kollektor- und Verteilervorrichtungen für den elektrischen Strom zusammenzuwirken, und die eine Le- bensidaauer aufweisen, welche sich mit derje nigen der andern Apparatebestandteile ver gleichen läss.t.
Unter gewöhnlichen atmosphärischen Be- d!ingungen können Motoren, Generatoren und ähnliche dynamoelektrische Apparate, die mit Schleifteilen aus Kohlenstoff .oder Gra phit zusammen mit rotierenden Stromkollek toren aus Kupfer arbeiten, während längerer Zeit in befrtiedigender Weise funktionieren. Es hat sich erwiesen, dass unter den in grosser Höhe herrschenden Bedingungen, z.
B. in Hö hen von 9000 bis 12000 Metern und mehr und bei einem Taupunkt von zirka -50 C, alle bekannten Kohlen- oder Graphitbürsten sich äusserst rasch abnützen und in kurzer Zeit in Kohlenstaub zerfallen. Diese Abnützung .der Bürsten wird allgemein als Zerstäulben bezeichnet. In gewissen Fällen wird ein Bür stensatz schon nach wenigen Minuten Be- triebszeit in einen betriebsunfähigen Zustand versetzt.
Ungünstige Bedingungen, unter welchen das Zerstäuben und die rasche Abnützung der Kohlenbürsten eintreten, können im Zusam menhang mit andern Betriebsarten auftreten, z. B. bei Eisenbahnmotoren, bei welchen die strengen Betriebsbedingungen eine rasche Abnützung herbeiführen. was -ein öfteres Erneuern der Bürsten nötig macht.
In vie len Fällen zerbrechen die üblichen, für .diesen Betrieb verwendeten Bürsten mechanisch in ,grosse Bruchstücke, im Gegensatz zum Zer stäuben.
Es wurde gefunden, dass das Phänomen ,der raschen Abnützung und des Zerstäubens der Bürsten ein ernstlich einschränkender Faktor im Betrieb von Flugzeugen in grossen Höhen ist. Gegenwärtig ist es gewöhnlich nötig, nach kurzen Flugzeugflügen in Höhen von zirka 9000 Metern oder mehr in elektri schen Apparaten die abgenützten Bürsten durch einen vollständigen,
neuen Bürstensatz zu ersetzen. Längere Flüge in grossen Höhen sind !infolge des Zerfalls der Kohlenbürsten in den -dyna@moelektris!chen Apparaten des Flugzeuges unsicher und in gewissen Fällen nicht durchführbar.
Der Hauptzweck der vorliegenden Er findung ist die Schaffung einer Kohlenbürste, (Nie unter atmosphärischen Bedingungen, wel che hinsichtlich Temperatur und Feuchtig keitsgehalt innerhalb weiter Grenzen schwan ken, in Verbindung mit einem metal- lisichen Stromkollektor !in befriedigender Weise arbeitet, ohne dass dabei eine über mässige Abnützung oder Zerstäubung eintritt.
Gegenstand der Erfindung ist eine als Schleifkontakt an einer leitenden Metall fläche wirkende Kohlenbürste, dadurch ge- kennzeichnet, dass. diese Bürste ein. praktisch nichihygroskopis:ches Metallhalogenid auf= weist, welches mindestens einem Teil des kohlenstoffhaltigen Bürstenkörpers einver leibt ist.
Das Wesen der Erfindung geht aus der folgenden Beschreibung vens:chiedener, bevor zugter Ausführungsformen deutlicher hervor. In der Zeichnung ist Fig.1 elin Aufriss eines :dynamoelektri- schen Apparates, teilweise im .Schnitt, und Fig. 2 ein Aufriss einer Kohlenbürste. In Fig.1 der Zeichnung bezeichnet 10 einen dynamoelektrischen Apparat, wie z. B.
einen Generator, der für die Verwendung in Flugzeugen geeignet ist, welche jetzt oft in. Höhen von 9000 bis, 12000 Metern .oder mehr fliegen. Der Apparat 10 umfasst ein äusseres Gehäuse 12, welches einen relativ feststehen den Stator 14 trägt.
Im Innern das Stators 14 befindet stich der auf einer Triebwelle 19 montierte Rotor 16, der die üblichen Wick lungen für die Leitung des elektrisichen Stro mes aufweist. Zwecks Ableitung des. elektri schen Stromes aus den Wicklungen trägt :
der Rotar 16 efinen Stromkollektor 18, der laut Zeichnung aus einer Vielzahl von Kommu- tatorlamellen aus Kupfer besteht.
Der elek trische Strom wird vom Stromkollektor 18 mittels der Kohlenbürste 20 abgeleitet, welch letztere so angeordnet ist, dass :an der Ober fläche des Kollektors ein Schleifkontakt<B>ge-</B> bildet wird. D!ie Kuhlenbürste 20 wird :durch die innerhalb eines Bürstengehäuses 24 an geordnete Feder 22 gegen den Kollektor 18 gedrückt.
Wenn die Bürste 20 von der Art der Koh len- oder Graphitbürsten ist, die im Handel erhältlich und käuflich -sind, und wenn diese über einem Stromkollektor 18 aus Kupfer un ter Bedingungen arbeitet, die z.
B. einer Höhe von 12000 Metern entsprechen, so nützt sich diese Bürste äusserst schnell ab. Eine Walke aus freiem Kohlenstaub wird durch die Ein- i wirkung @d:es Stromkollektors 18 auf die Bürste 20 erzeugt.
Die Erfahrung hat ge zeigt, dass die Geschwindigkeit der Abnüt zung oder Zerstäubung proportional der Dauer des Betriebes unter solchen Bedtingun- gen zunimmt. Sogar im Fall von Gleitringen mit ursprünglich hochpolierter und gleich mässiger Oberfläche ist dtie Geschwindigkeit der Abnützung infolge :
der Einwirkung des Kupfers auf die üblichen Bürsten unter den Bedingungen grosser Höhe sehr gross. Die übliche Bürstenabnützung liegt !im Bereich von 2,5 mm pro Stunde in Höhen von 9000 Metern. In grösseren Höhen ist die Zerstäu- bung so stark, dass' die Bürsten nach wenigen Minuten Betriebsdauer in. einem Mass abge nützt werden können, welches über :das für das befriedigende Funktionieren erlaubte Mass hinausgeht.
Es hat sich erwiesen, dass die Geschwin- digkeit der Zerstäubung der Bürsten unter Bedingungen grosser Höhe von der Menge des durch die Bürsten fliessenden Stromes be- eiriflusst wird.
Unter Bedingungen in mässi gen Höhen von etwa 6000 Metern kann eine Bürste, die für eine maximale Stromstärke von 200 Ampere bestimmt ist, bei Stromstär ken von 25 bis 50 Ampere während vielen Stunden im Betrieb sein, ohne dass dabei eine über dem normalen Durchschnitt liegende Abnützung eintritt. Wenn jedoch eine Strom stärke von etwa 200 Ampere angewendet wird, so vergrössert sich die Abnützung der art, dass die effektive Lebensdauer :
einer ge gebenen Bürste bis, auf nur wenige Stunden sinken kann, Unter Bedingungen, :die einer Höhe von 12000 Metern entsprechen, kann die Ge schwindigkeit der Bürstenabnützung sogar dann hoch sein, wenn die Bürsten nur schwach belastet sind, während für Bürsten, die eine maximale Stromstärke führen,
die Abnützung gewöhnlich übermässig gross und die Lebensdauer der Bürsten derart klein ist, dass der Betrieb von Flugzeugen sehr gefähr det wird.
Gemäss der vorliegenden Erfindung kön nen Ko:hlenbürsten bzw. -körper mit prak tisch nichthygroskoipis:chen Metallhalo:genid- s@alzen behandelt werden, um ihre Wider standsfähigkeit gegen Abnützung und Zer- stäubung zu erhöhen, wenn sie in dynamo- elektrischen Maschinen in grossen Höhen oider unter Bedingungen verwendet werden, die grossen Höhen entsprechen.
Für den Zweck .der vorliegenden Erfin dung geeignete Halogenide sind z. B. Blei- jodid, Kupferchlorid, Kadmiumjo,did, Silber- jodid, Kaliumbromid und Kaliumjoidid. Bürsten, die mit praktisch nichthygroskopi schen Metadlhalogeniden @mpräbgmiert sind,
können in dynamoelektrisichen Apparaten<B>an-</B> g o ebracht werden, um ein langes und störungs- freies Funktionieren der letzteren unter sehr ungünstigen Bedingungen zu erzielen.
Es zeigt sich, dass unter gewöhnlichen, atmosphärischen Betriebsbedingungen, z. B. bei gewöhnlichen Drucken und gewöhnlichem Feuchtigkeitsgehalt, auf dem Stromkollektor aus Kupfer ein Kupferoxydbelag gebildet wird.
Es hat sich erwiesen, dass im Fall der Bildung eines: Kupferoxydbel ges auf 4em Stromkollektor dieser Belag wie ein Schmiermittel wirkt und da.ss dadurch -die Abnützung der Kohlen- oder Graphitbürsten, verglichen mit derjenigen, die eintritt, wenn. kein Oxydbelag vorhanden ist, stark vermin- dert wird.
Es ist wahrscheinlich, dass bei Verwen dung von Bürsten, die mit Metallhalogeni- den imprägniert sind oder solche enthalten, zusammen mit einem in Betrieb befindlichen Stromkollektor, in grossen Höhen oder unter atmosphärischen, diesen Höhen entsprechen= den Bedingungen an der Berührungsstelle eine Temperatur erzeugt wird, die genügend hoch ist, dass die Zersetzung der Salze und die Entwicklung eines Halogengases oder -dumpfes bewirkt wird, welch letzterer das Kupfer angreift, wobei ein Kupferhalogeni.d- belag auf -dem Kollektor gebildet wird.
Wenn dieser Halogenidbelag gebildet wird, so ist er unter den herrschenden Betriebsbedingun gen unbeständig. Durch die anwesende atmo sphärische Luft, sogar im Falleiner luftver dünnten Atmosphäre, wird das Halogenid un i terBildung eines Belages von Kupferoxyd zer setzt, welch letzteres: auf die Kohlenbürsten nicht so schädigend wirkt wie dass nichtoxy- dierte Kupfer.
Es scheint deshalb, dass, ein Zusammenwirken zwischen den ein Metal!1- halogeni,d enthaltenden Bürsten und dem" Stromkollektor aus Kupfer stattfindet, wo durch die Lebensdauer der Bürsten starker höht wird.
Diese Theorie des Wirkungsmechanismus des Hal.o,genids iin den Bürsten soll nur als einfache Erklärung des wahrscheinlichen Vorganges aufgefasst werden.
Wie auch immer die wirkliche Erklärung oder Begründung lauten möge, so hat .die Er findung jedenfalls gezeigt, dass die Verwen- i dung ,der Halogenide für die Verminderung übermässiger Abnützung und Zerstäubuug befriedigend und erfolgreich ist. Eine ge wöhnliche Bürste, die sich unter gegebenen, einer grossen Höhe entsprechenden Bedingun-,
gen mit einer Geschwindigkeit von beispiels weise 1,78 mm pro Stunde abnützt, weist un ter gleichen Bedingungen eine Abnützungs- geschwindigk eit von weniger als 0,0127 mm pro Stunde auf, wenn. sie mit Kadmiumjo,did behandelt wunde.
Es stehen verschiedene Verfahren zur Ver fügung, um Kohlenelektroden erfindungsge- mäss mit den Metallhalogeniden zu versehen.
Ein sehr wirksames Verfahren besteht darin, dass die Bürsten durch Eintauchen in eine konzentrierte, wässerige Lösung des Metall- halogenidsoder in ein. Bad eines geschmol zenen Metallihalogenids- (imprägniert werden. Es hat .sieh gezeigt, dass Bürsten aus.
Elektro graphit .eine etwas porösere Struktur als solche ohne Graphit besitzen und dass @dlie Porosität die Einführung der Salze zwecks befriedigender Imprägnierung der Elektro,- gTaphitbürsten b-es,chleunigt. Bürsten, die eine Kombination von Metallen und Graphit ent halten, sind nicht ,genügend porös,
um in allen Fällen eine befriedigende Imprägnierung, mittels geschmolzener Meta-llhalogenide oder Lösungen derselben, zu erlauben. Es ist leich ter, Elektrographitbürsten durch Imprägnie ren zu behandeln.
Fig. 2 der Zeichnung stellt eine Bürste 20 dar, die erfindungsgemäss behandelt wurde. An der Bürste 20 ist ein biegsamer Kupfer leiter 21 angebracht, welcher den elektrischen Strom in die Bürste oder von dieser weg führt, wenn .der Leiter geeignet angeschlossen ist.
In der einen Ausführungsform der Erfin dung kann die Bürste, nachdem diese in die für den Gebrauch gewünschte Form zuge schnitten worden ist, mit einem Metallhalo genid derart behandelt werden, dass ein be- träcrtlicher Teil der Bürste von einer vorbe stimmten Menge dieses Salzes, durchdrungen wird.
In gewissen Fällen können Kohlen- platten, die mit Graphit überzogen :sind, mit einem Metallhalogeni@d imprägniert werden, bevor sie in Bürstenform zugeschnitten wer den.
Zur Herstellung der Bürste 20 kann ein Metallhalogenid in Wasser oder einem an dern ge:eligneten, flüchtigen Lösungsmittel ge löst werden, um eine im wesentlichen gesät tigte Lösung zu erzeugen, die einen hohen Gehalt an Metalghalogenid besitzt. Eine Koh- lenbürste wird in die starke Salzlösung ein getaucht und so lang darin gelassen,,dass die Lösung durch die Poren der Bürste eindrin gen kann.
Wenn man die Bürste aus der Lö sung labzieht und erhitzt, um das Wasser oder das andere Lösungsmittel durch Ver dampfen zu entfernen, wird sich eine Menge des Metallhalogenids in den Poren -der Bürste abgesetzt haben. Der Vorgang kann nötigen- falls wiederholt werden, bis genügend Mertall- h@alogenid in die Bürste eingedrungen eist.
Auf diese Art erzeugte Bürsten, die in Ver bindung mit einem rotierenden Stromkollek tor aus Kupfer verwendet werden, bewirken unter ungünstigen Bedingungen eine sehr befriedigende Verminderung .des Zerstäubens.
Es wurde gefunden, dass die Verwendung von geschmolzenen Metallhalogeniden oft vorzuziehen ist, um Bürsten auf schnellere und wirtschaftlichere Weise mit einer grösse ren Menge des Salzes zu versehen. Kohlen bürsten können z.
B. während etwa einer Stunde in geschmolzenes Kadmiumjo,did ein getaucht werden, nach welcher Zeit die Bür sten genügend Kadmiumjo,did absorbiert ha- ben, um für die Verwendung unter den vor her beschriebenen, in grossen Höhen herr- slchenden Bedingungen geeignet zu sein.
Bür sten, die in dieser Weise mit Kadmiumjo,dlid imprägniert waren, wurden mit Erfolg in Verbindung mlit einem Stromkollektor aus Kupfer unter Bedingungen, die einer Höhe von 12000 Metern entsprachen, und bei einem Taupunkt von -50 C während längeren Zeiten verwendet, wobei die Abnützung das bei Bodenbedingungen übliche Mass nicht überstieg.
Zur Erzeugung von Bürsten kann ein kohlenstoffhaltiges Material mit den Metall halogeniden, mit oder ohne Metallzusätzen, wie z. B. gepulvertem Kupfer, verformt und dann einer Hitzebehandlung bei Temperatu ren, die unter den Verdampfungstemperatu- ren .der verwendeten Metallhalogenide liegen, unterworfen werden.
Dieses letztere Verfah ren lisit besonders. günstig für die Erzeugung von Bürsten, die im Gegensatz zu Bürsten mit Elektrographitstruktur keine poröse Struktur aufweisen, wenn sie völlig gebacken sind. Metallhalogenide mlit hohen S@chmelz- temperaturen oder solche, die in Flüssigkei ten, wie z. B.
Wasser, nur wenig löslich sind, werden besser durch Vermischen mit Kohlen staub, durch Verformen des Gemisches und durch Hitzebehandlung in .die Bürsten einge- führt.
Die Menge des praktisch nichthygrosko pischen Metallhalogenids, die erforderlich ist, ; um unter den Bedingungen in grosser Höhe das Zerstäuben zu vermindern. beträgt z. B. 10 % des Bürstengewichtes.
In gewissen Fäl len wurden bei Anwendung von mehr als 10 Gewichtsprozenten grosse Erfolge erzielt. i Durch Einführung von Bleijoldid in Mengen von zirka 45 bis 50 % des Bürstengewichtes wurde eine Bürste erhalten, die unter -den ver- sichiedensten Bedingungen arbeitet und eine Abnützung aufweist, die nur wenige Tau- , sendstel .eines Millimeters pro,
Stunde Be triebsdauer beträgt. Für mässige Höhen ge nügt ein Halogenidgehalt von 10 % oder we niger, mit welchem gewöhnlich gute Resul tate erzielt werden. Die MetallhalogenIde müssen nicht die ganze in Eig. 2 dargestellte Bürste durch setzen. Es genügt, wenn nur der mit ,dem Stromkollektor in Berührung befindliche Teil 30 impräbgmiert ist.
In gewissen Fällen kann das Halogenid auf der einen SeG:te,d.es Teils 30 eingeführt werden, ohne @dass die Imprä gnierung die gesamte Dicke umfasst. Es ist allgemein erwünscht, die Bürste in ihrer vol len Ausdehnung zu (imprägnieren, so dass die gesamte Oberfläche des Stromkollektors mit Metallhalogenid, welches in der Bürste ent halten ist, in Berührung kommt.
Bürsten, die einen Halogenidgehalt von nur wenligen Prozenten besitzen und in dy namoelektrischen Apparaten, welche auf der Erdoberfläche verwendet werden, montiert sind, weisen nicht nur eine längere Lebens dauer als nicht behandelte Bürsten auf, son dern auch andere Vorteile.
Prüfungen haben ergeben, dass dann., wenn ein Teil aller Bür sten, die in Berührung mlit einem Kümmu- tator oder Stromkollektor stehen, ein Metall.- ha1,odenid enthält, im allgemeinen die Ver minderung der Abnützung aller Bürsten auf dem Kommutator erzielt wird.
Untersuchungen auf dem Gebiet,des Ei- senbahnbetriebes ergaben, dass die üblichen Bürsten, die in einem Motor einer Standard type verwendet werden, im Betriebe -eine Le bensdauer aufwelisen, die einer Betriebs strecke von 43500 km entspricht. Bürsten der gleichen Type und der gleichen Herstel lungsart wurden so behandelt, dass sie etwa 3 % Bleijodid aufnahmen.
Die Geschwindig- keitder Bürstenabnützung war sehr viel kleli- ner. Laut jetzigen Daten weist die behan- delte Bürste eine Lebensdauer auf, die einer Betriebsstrecke von 193000 km entspricht.
Bei Verwendung einer gegebenen, in die sem Betrieb verwendeten Art von Bürsten in einem andern Eisenbahnmotor wiesen diese Bürsten -eine Abnützung von 1,6 mm nach etwa 1600 km Betriebsstrecke auf. Die gleiche Bürstenart wies nach Behandlung mit 3 % Bleijodid -eine Abnützung von 1,6 mm nach etwa 16000 km Betriebsstrecke auf.
Ausser der Verminderung der Geschwin digkeit ,der Bürstenabnützung und der sich daraus ergebenden Verminderung lin,der Häu figkeit der Bürstenerneuerung bringt die Verwendung von Metallhalogenide enthalten den Bürsten noch andere Vorteile mit sich. Motoren- und Generatorenko lektoren und Schleifringe wefisen viel bessere Betriebs eigenschaften auf, wenn Bürsten verwendet werden, die Metallhalogenide enthalten.
Um die Verbesserungen an .Stromkollek- toren zu belegen, wurden mit Metailhalo- geniden behandelte, erfindungsgemässe Bür sten in 'einen Eisenbahnmotor montiert, des sen Kollektor sich im Zeitpunkt des, Montie- rens in einem ,derart rauhen Zustand befand, dass normalerweise ein Überholen nötig ge wesen wäre.
Nach einigen tausden Betriebs- kilometern wurde der Kominutator unter sucht und in eindeutig besserem Zustand vor gefunden. Er besass lin der Tat einen ver besserten Wirkungsgrad. Der Kommutator wies einen Kupferbelag auf, wie ein solcher im Falle des .guten Funkionierens zu sehen ist, und zeigte keinerlei Spuren von Verbren nungen.
Es war kefin Unterschied an den Kontaktflächen auf dem Kommutato:r mit den zwei Reihen von Bürsten festzustellen, obwohl @do,ch vorher die entsprechenden peri pheren Teile des Kommutators deutlich ver schieden waren und eine ungleichmässige Stromverteilung aufwiesen.
Die Verwendung von erfindungsgemässen Bürsten für Motoren von Strassenbahnen, Un- tergrundbahnen und andern Transportfahr zeugen wird ;sehr vorteilhaft sein. Es wird sich zeigen, d'ass, Erregermaschinen und an dere @dynamoelektriLeche Maschinen müt hohen Tourenzahlen besser funktionieren mit Bür sten, die Metallhalogenide enthalten. Werk zeugmaschinenmotoren, wie z.
B. solche, die zum Antreiben von Drehbänken verwendet werden, können mit Vorteil mit den hier be schriebenen Bürsten ausgerüstet werden. Kommutatoren und S Schleifringe werden we niger gerichtet, bearbeitet und; erneuert wer den müssen, wenn in Verbindung mit densel- ben die erfindungsgemässen Bürsten verwen det werden.
Der Gehalt des, Metalilhalogenlids kann für die meisten Zwecke zwischen 2 und 8% schwanken. In gewissen Fällen geben Bür sten mit 'einem Metallhalogenidgehalt von 0,7 % schon bessere Resultate als Bürsten, die keine Meta!llhalogenide enthalten.
Wenn auch das Zusammenwirken zwi schen der erfindungsgemässen Bürste und dem Stromkollektor nicht vollständig aufgeklärt ist, so steht doch eindeutig fest, dass ein derartiges Zusammenwirken zwischen der Bürste und dem Stromkollektor statt findet und dass dadurch die Lebensdauer der beiden erhöht wird. Es zeigt sich, dass die -erfinidungsgemässe Bürste in irgendeiner Weise auf den Stromkollektoren einen vor- teilhaften Belag oder Film erzeugt.
Eines: oder mehrere -der folgenden Metall- hal;ogenide können mit gutem Erfolg in die Bürsten eingeführt werden: PbI2, P'bBrz, PbC1", PbF2, Ga.F2, GdF, MF2, CdI2, GdBr2, CdClz, HgI2, HgBr2, Cu2Br2, KI und AgI.
Es können Gemische von. Metallhalogeni- den in die Bürsteneingeführt werden, wobei gleich wirksame Resultate erzielt werden, wie wenn ein einziges Salz verwendet würde.
Je nach den Betriebsbedingungen sind gewisse Metallhalogenide andern vorzuzie hen. Wenn z. B. Bürsten bei relativ hoher Temperatur in Betrieb sind, so verbleiben ge wisse Halogeneide, die bei dieser Temperatur einen hohen Damp±#cdrwek besitzen, nicht so lange in oder Bürste wie Halogenide mit einem niedrigeren Dampfdruck.
Im Verlauf der Anwendung der Erfin dung hat es seich erwiesen, d.ass zerfliessende Meballhalogenide unerwünscht sind. Die zer- fliesseichen Halogenide sind jene, die genü gend Mengen Feuchtigkeit aus der Atmo sphäre anziehen, um flüssige Lösungen zu bilden.
Die Anwesenheit von Feuchtigkeit fördert die Erreichung der Zwecke der Er- findung nicht. Ebenso unerwünscht für die Verwendung in Bürstten sind hygroskopische Halo@genide, die ansehnliche Mengen Feuch tigkeit absorbieren und sehr feucht werden.
Die Einführung von zerfliessenden und stark hygroiskopisichen Metallhalogeniden in Bürsten würde in vielen Fällen :die Ursache ungünstiger Resultate sein. Wenn solche Bürsten während einiger Zeit im Gebrauch sind, enitweicht die durch Feuchtigkeitsab- sorption aus der Luft gebildete wässerige Lö sung aus der Bürste.
Alsdann kann :die Bürste eine für die Erreichung der gesteckten Ziele ungenügende Menge an Halogenid ent halten.. In andern Fällen kann, die uner- wünschte Feuchtigkeitsabsorption durch das Metallhalogenid unerwünschte physikalische Veränderungen in der Bürstenstruktur her vorrufen, indem die infolge Wasserabsorption .eintretende Ausdehnung ein Steckenbleiben der Bürste im Gehäuse bewirkt.
Es kann auch eine Schwächung oder ein Zerfall der Bürste eintreten, wenn dieser ein zerfliessendes oder stark hygroskopisches Metallhalogenid ein verleibt wird.
Gewisse hygroekopieche Metallhalogenide, wie z. B. Zinkchlorid, wirken in Gegenwart von Wasser stark ätzend und üben in diesem Zustand eine ühermässiige Korrosionswirkung auf die Bürsitenhalter, Kollektoren und die andern Bestandteile, von dynamoelektrischen Apparaten, die in Berührung mit dem Halo- jgenid kommen, aus,
. Auch die elektrische Iso lation kann durch solche Metallhalogenid- lösungen ungünstig beeinflusst werden.
Bei vorliegender Erfindung sollen zer- fliessliche Metallhalogenide nicht verwendet werden und starkhygroskopische Halogenide vermiieden werden.
Die in der vorliegenden @sseschreibung verwendete Bezeichnung prak tisch nichthygroskopisch bedeutet, dass so wohl die zerfliessenden Halogenide als auch diejenigen, dlie erhebliche Mengen an Feuch tigkeit absorbieren, ausgeschlossen sind.
Bei der Einführung von Metallhalogeni- den in Kohlenbürsten durch Imprägnieren .mit :dem geschmolzenen Salz müssen Fakto ren berückslichtigt werden, wie z.
B. diejeni gen :der Viskosität des: geschmolzenen Salzes, der Benetzung :der Kohle und der Schmelz temperatur des Salzes. Da die Metallhalogenide je nach den Be- trie@bsbedingungen Halogen abspalten können, ist es vorteilhaft, Salze auszuwählen, deren Rückstände in der Bürste keine echädlichen Ablagerungen bilden oder mlit der Atmo sphäre oder dem Bürstenhalter keine schäd liche Reaktion eingehen. Während z.
B. Ka- liumjo,did unter Betriebsbeidingungen, die einer grossen Höhe entsprechen, die Zerstäu- bung und Abnützung der Bürsten verwin- dert, bewirken die durch Zersetzung des Sal zes entstandenen Produkte verschiedene shleine Mängel, z.
B. eine Verschlechterung des Kontaktes und eine vermehrte Funken- hildung. Wahrscheinlich bilden sich oxy- dische Produkte, welche das gute Funkvonie- ren des Apparates beeinträchtigen. Andere Metalle, wie z. B. Blei, Kalium oder Silber, sind in dieser Beziehung günstiger, da diese offenbar keine unerwünschten Endprodukte bilden.
Carbon brush. The present invention relates to carbon brushes, in particular to brushes that are capable of interacting with collector and distributor devices for electrical current attached to dynamoelectric machines, and that have a life span which is consistent with that of the other apparatus components compare läss.t.
Under ordinary atmospheric conditions, motors, generators, and similar dynamo-electric apparatus, using abrasive carbon or graphite parts with rotating copper current collectors, can function satisfactorily for long periods of time. It has been shown that under the conditions prevailing at high altitudes, e.g.
B. in Hö hen from 9000 to 12000 meters and more and at a dew point of about -50 C, all known carbon or graphite brushes wear out extremely quickly and disintegrate into coal dust in a short time. This wear and tear on the brushes is generally referred to as atomization. In certain cases, a set of brushes is rendered inoperable after just a few minutes of operation.
Unfavorable conditions under which the atomization and the rapid wear and tear of the carbon brushes occur can occur in connection with other modes of operation, e.g. B. in railway engines, in which the severe operating conditions cause rapid wear. which -requires renewing the brushes.
In many cases, the usual brushes used for this operation break mechanically into large fragments, in contrast to dusting.
It has been found that the phenomenon of rapid wear and tear and atomization of the brushes is a seriously limiting factor in the operation of aircraft at high altitudes. At present it is usually necessary, after short airplane flights at altitudes of about 9000 meters or more, to replace the worn brushes with a complete,
replace new brush set. Longer flights at high altitudes are unsafe and in certain cases not feasible due to the disintegration of the carbon brushes in the dynamic electronic apparatus of the aircraft.
The main purpose of the present invention is the creation of a carbon brush, (never under atmospheric conditions which fluctuate within wide limits with regard to temperature and moisture content, in connection with a metallic current collector! Works in a satisfactory manner without an over moderate wear or atomization occurs.
The subject of the invention is a carbon brush acting as a sliding contact on a conductive metal surface, characterized in that this brush is a. practically non-hygroscopic: metal halide which is incorporated into at least part of the carbon-containing brush body.
The essence of the invention is evident from the following description: different, before ferred embodiments. In the drawing, FIG. 1 is an elevation of a dynamo-electric apparatus, partly in section, and FIG. 2 is an elevation of a carbon brush. In Figure 1 of the drawings, 10 denotes a dynamo-electric apparatus such as B.
a generator suitable for use in airplanes which now often fly at altitudes of 9,000 to 12,000 meters. or more. The apparatus 10 comprises an outer housing 12 which carries a relatively fixed stator 14.
Inside the stator 14 is stabbed on a drive shaft 19 mounted rotor 16, which has the usual Wick lungs for the line of electrical current. For the purpose of deriving the electrical current from the windings:
the Rotar 16 is a fine current collector 18 which, according to the drawing, consists of a large number of commutator bars made of copper.
The electrical current is diverted from the current collector 18 by means of the carbon brush 20, the latter being arranged in such a way that: a sliding contact is formed on the upper surface of the collector. The brush 20 is: pressed against the collector 18 by the spring 22 arranged within a brush housing 24.
If the brush 20 is of the type of carbon or graphite brushes that are commercially available and commercially available, and if this operates over a current collector 18 made of copper under conditions that, for.
B. correspond to an altitude of 12,000 meters, this brush wears out extremely quickly. A fulling of free coal dust is produced by the action of the current collector 18 on the brush 20.
Experience has shown that the speed of wear or atomization increases proportionally to the duration of operation under such conditions. Even in the case of sliding rings with originally highly polished and even surface, the rate of wear is due to:
the effect of the copper on the usual brushes under the conditions of great height is very great. The usual brush wear is in the range of 2.5 mm per hour at heights of 9000 meters. At higher altitudes, the atomization is so strong that after a few minutes of operation the brushes can be worn to an extent which goes beyond the extent permitted for satisfactory functioning.
It has been found that the speed of atomization of the brushes under conditions of high altitude is influenced by the amount of current flowing through the brushes.
Under conditions at moderate altitudes of around 6,000 meters, a brush designed for a maximum current of 200 amps can be in operation for many hours at amperages of 25 to 50 amps without any above-normal wear entry. However, if a current of around 200 amps is applied, the wear and tear increases so that the effective service life:
a given brush can sink to just a few hours. Under conditions: which correspond to an altitude of 12,000 meters, the speed of the brush wear can be high even when the brushes are only lightly loaded, while for brushes one carry maximum current,
the wear is usually excessive and the service life of the brushes is so short that the operation of aircraft is very endangered.
According to the present invention, carbon brushes or bodies can be treated with practically non-hygroscopic metal halides in order to increase their resistance to wear and tear and atomization when they are used in dynamo-electric machines high altitudes or can be used under conditions corresponding to high altitudes.
Halides suitable for the purpose of the present invention are e.g. B. lead iodide, copper chloride, cadmium jo, did, silver iodide, potassium bromide and potassium iodide. Brushes that are treated with practically non-hygroscopic metal halides @ mpräbgmiert,
can be installed in dynamo-electrical apparatuses in order to ensure that the latter functions for a long time and without interference under very unfavorable conditions.
It turns out that under normal, atmospheric operating conditions, e.g. B. at normal pressures and normal moisture content, a copper oxide coating is formed on the current collector made of copper.
It has been shown that in the case of the formation of a copper oxide layer on the 4th current collector, this layer acts like a lubricant and thereby - the wear and tear of the carbon or graphite brushes, compared with that which occurs when. if there is no oxide deposit, it is greatly reduced.
It is likely that when brushes that are impregnated with or contain metal halides are used together with an operating current collector, at high altitudes or under atmospheric conditions, a temperature will be generated at the point of contact , which is sufficiently high that the decomposition of the salts and the development of a halogen gas or vapor is effected, the latter attacking the copper, whereby a copper halide coating is formed on the collector.
If this halide coating is formed, it is unstable under the prevailing operating conditions. Due to the atmospheric air present, even in the case of an air-thinned atmosphere, the halide is decomposed and a layer of copper oxide is formed, the latter not being as damaging to the carbon brushes as non-oxidized copper.
It therefore appears that there is an interaction between the brushes containing a metal! 1-halide and the "current collector" made of copper, which increases the life of the brushes more.
This theory of the mechanism of action of the halo, genid in the brushes should only be taken as a simple explanation of the likely process.
Whatever the real explanation or justification, the invention has shown that the use of the halides for reducing excessive wear and tear and atomization is satisfactory and successful. An ordinary brush that, under given conditions corresponding to a great height,
wears at a speed of, for example 1.78 mm per hour, under the same conditions has a wear rate of less than 0.0127 mm per hour, if. she treated with cadmiumjo, did wound.
Various methods are available for providing carbon electrodes according to the invention with the metal halides.
A very effective method is that the brushes by immersion in a concentrated, aqueous solution of the metal halide or in a. Bath of a molten metal halide (to be impregnated. It has been shown that brushes can be used.
Electro graphite have a somewhat more porous structure than those without graphite and that @dlie porosity accelerates the introduction of the salts for the purpose of satisfactory impregnation of the electro-graphite brushes. Brushes that contain a combination of metals and graphite are not sufficiently porous,
in order to allow a satisfactory impregnation in all cases by means of molten metal halides or solutions thereof. It is easier to treat electrographite brushes by impregnation.
Fig. 2 of the drawing shows a brush 20 which has been treated in accordance with the invention. A flexible copper conductor 21 is attached to the brush 20, which conducts the electrical current into the brush or away from it when the conductor is properly connected.
In one embodiment of the invention the brush, after it has been cut into the shape desired for use, can be treated with a metal halide in such a way that a considerable part of the brush is penetrated by a predetermined amount of this salt becomes.
In certain cases, carbon sheets coated with graphite can be impregnated with a metal halide before they are cut to size in the form of a brush.
To make the brush 20, a metal halide can be dissolved in water or some other volatile solvent to produce a substantially saturated solution which is high in metal halide. A carbon brush is dipped into the strong salt solution and left in it for so long that the solution can penetrate through the pores of the brush.
If you pull the brush out of the solution and heat it to remove the water or other solvent by evaporation, a lot of the metal halide will have settled in the pores of the brush. If necessary, the process can be repeated until enough Mertall- h @ alogenid has penetrated the brush.
Brushes produced in this way, which are used in connection with a rotating current collector made of copper, cause a very satisfactory reduction in atomization under unfavorable conditions.
It has been found that the use of molten metal halides is often preferable in order to provide brushes with a greater amount of the salt in a faster and more economical manner. Can brush coals z.
B. for about an hour in molten cadmiumjo, did a, after which time the brushes have absorbed enough cadmiumjo, did, to be suitable for use under the above-described conditions prevailing at high altitudes .
Brushes impregnated in this way with cadmiumjo, dlid have been used with success in connection with a current collector made of copper under conditions corresponding to an altitude of 12,000 meters and at a dew point of -50 C for longer periods, the Wear did not exceed what is usual in soil conditions.
To produce brushes, a carbonaceous material can halide with the metal, with or without metal additives, such as. B. powdered copper, deformed and then a heat treatment at temperatures below the evaporation temperatures. The metal halides used are subjected.
This latter method is particularly useful. favorable for the production of brushes which, in contrast to brushes with an electrographite structure, do not have a porous structure when they are completely baked. Metal halides with high melting temperatures or those which are th in liquids, such as. B.
Water, which is only slightly soluble, is better introduced into the brushes by mixing it with coal dust, by deforming the mixture and by heat treatment.
The amount of the practically non-hygroscopic metal halide that is required; to reduce atomization under high altitude conditions. is z. B. 10% of the brush weight.
In certain cases, great success has been achieved when using more than 10 percent by weight. i By introducing lead goldide in amounts of approx. 45 to 50% of the brush weight, a brush was obtained that works under the most varied of conditions and shows wear that is only a few thousandths of a millimeter per,
Hour of operation. For moderate heights, a halide content of 10% or less is sufficient, with which good results are usually achieved. The metal halide does not have to contain the whole 2 through the brush shown. It is sufficient if only the part 30 which is in contact with the current collector is impräbgmiert.
In certain cases the halide can be introduced on one SeG: te, i.e. part 30, without the impregnation encompassing the entire thickness. It is generally desirable to impregnate the brush in its full expansion so that the entire surface of the current collector comes into contact with metal halide contained in the brush.
Brushes that have a halide content of only a few percent and are mounted in dynamic electrical devices that are used on the surface of the earth not only have a longer service life than untreated brushes, but also other advantages.
Tests have shown that if a part of all the brushes that are in contact with a commutator or current collector contain a metal halide, odenide, a general reduction in the wear of all the brushes on the commutator is achieved .
Investigations in the field of railway operations have shown that the normal brushes used in a standard type motor have a service life in operation that corresponds to an operating distance of 43,500 km. Brushes of the same type and method of manufacture were treated so that they took up about 3% lead iodide.
The speed of brush wear was much slower. According to current data, the treated brush has a service life that corresponds to an operating distance of 193,000 km.
When using a given type of brush used in this operation in another railway engine, these brushes showed wear of 1.6 mm after about 1600 km of operation. After treatment with 3% lead iodide, the same type of brush showed wear of 1.6 mm after an operating distance of about 16,000 km.
In addition to the reduction in speed, brush wear and the resulting reduction in the frequency of brush renewal, the use of metal halides also brings other advantages to the brushes. Motor and generator co lectors and slip rings have much better operating properties when brushes containing metal halides are used.
In order to demonstrate the improvements in current collectors, brushes according to the invention treated with metal halides were installed in a railway engine, the collector of which was in such a rough state at the time of installation that overtaking was normally required would have been necessary.
After a few thousand operating kilometers, the comminutator was examined and found in a clearly better condition. It actually had an improved degree of efficiency. The commutator had a copper coating, as can be seen in the case of good functioning, and showed no traces of burns.
There was no difference in the contact surfaces on the commutator with the two rows of brushes, although the corresponding peripheral parts of the commutator were clearly different beforehand and had an uneven current distribution.
The use of brushes according to the invention for motors of trams, underground trains and other transport vehicles will be very advantageous. It will be seen that exciter machines and other @dynamoelektriLeche machines with high speeds work better with brushes that contain metal halides. Machine machine engines, such as.
B. those that are used to drive lathes can be equipped with advantage with the brushes described here be. Commutators and slip rings are less straightened, machined and; must be renewed if the brushes according to the invention are used in conjunction with the same.
The metal halide content can vary between 2 and 8% for most purposes. In certain cases, brushes with a metal halide content of 0.7% give better results than brushes that do not contain any metal halides.
Even if the interaction between the brush according to the invention and the current collector has not been fully elucidated, it is clear that such an interaction takes place between the brush and the current collector and that this increases the service life of both. It turns out that the brush according to the invention produces an advantageous coating or film in some way on the current collectors.
One: or more of the following metal halides can be introduced into the brushes with good success: PbI2, P'bBrz, PbC1 ", PbF2, Ga.F2, GdF, MF2, CdI2, GdBr2, CdClz, HgI2, HgBr2 , Cu2Br2, KI and AgI.
Mixtures of. Metal halides can be introduced into the brushes with the same effective results as if a single salt were used.
Depending on the operating conditions, certain metal halides are preferable to others. If z. B. brushes are in operation at a relatively high temperature, so remain ge certain halides that have a high vapor ± # cdrwek at this temperature, not as long in or brush as halides with a lower vapor pressure.
In the course of the application of the invention it has been found that deliquescent meball halides are undesirable. The dissolvable halides are those that attract enough moisture from the atmosphere to form liquid solutions.
The presence of moisture does not help achieve the purposes of the invention. Hygroscopic halides, which absorb considerable amounts of moisture and become very moist, are also undesirable for use in brushes.
The introduction of deliquescent and strongly hygroiscopic metal halides in brushes would in many cases: be the cause of unfavorable results. When such brushes are in use for some time, the aqueous solution formed by the absorption of moisture from the air escapes from the brush.
Then: the brush can contain an insufficient amount of halide to achieve the set goals. In other cases, the undesired moisture absorption by the metal halide can cause undesired physical changes in the brush structure, in that the expansion that occurs as a result of water absorption The brush sticks in the housing.
The brush can also weaken or disintegrate if a deliquescent or highly hygroscopic metal halide is incorporated into it.
Certain hygroekopieche metal halides, such as. B. zinc chloride, have a strong corrosive effect in the presence of water and in this state exert an excessive corrosive effect on the brush holders, collectors and the other components of dynamo-electric devices that come into contact with the halide,
. The electrical insulation can also be adversely affected by such metal halide solutions.
In the present invention, dissolvable metal halides should not be used and strongly hygroscopic halides should be avoided.
The designation used in the present description, practically non-hygroscopic, means that both the deliquescent halides and those that absorb considerable amounts of moisture are excluded.
When introducing metal halides in carbon brushes by impregnating .mit: the molten salt, factors must be taken into account, such as
B. those conditions: the viscosity of the: molten salt, the wetting: of the coal and the melting temperature of the salt. Since the metal halides can split off halogen depending on the operating conditions, it is advantageous to select salts whose residues do not form harmful deposits on the brush or do not react with the atmosphere or the brush holder. While z.
B. Kaliumjo, did under operating conditions that correspond to a great height, the atomization and wear and tear of the brushes twisted, the products resulting from the decomposition of the salt cause various small defects, e.
B. a deterioration of the contact and an increased generation of sparks. Oxydic products are probably formed which impair the good functioning of the device. Other metals such as B. lead, potassium or silver, are cheaper in this regard, since these apparently do not form undesirable end products.