DE2944065A1

DE2944065A1 - Stromuebertragungsbuerste mit graphitfolien

Info

Publication number: DE2944065A1
Application number: DE19792944065
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Dr. Heinrich 8552 Höchstadt Diepers
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1979-10-31
Filing date: 1979-10-31
Publication date: 1981-05-14
Also published as: JPS5674066A; FR2469022B1; US4349760A; FR2469022A1; GB2062364A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 79 P 7 5 6 2 BRD

Stromübertragungsbürste mit Graphitfolien

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromübertragungsbürste mit einem Schleifkörper mit einer Stapelanordnung von sich zumindest annähernd senkrecht zur Kontaktfläche der Bürste erstreckenden Folien aus einem hoch-graphitierten Graphit, von denen mindestens einige auf mindestens einer ihrer beiden Flachseiten mit einer Schicht aus einem elektrisch leitenden Material versehen sind. Eine derartige Stromübertragungsbürste ist mit der deutschen Patentanmeldung P 28 17 371.9 vorgeschlagen.

Die in elektrischen Maschinen verwendeten Bürsten dienen zur Stromübertragung zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Maschinenteil und bestehen im allgemeinen aus Elektrographit, Naturgraphit oder einer Mischung aus einem Metall und Graphit. Mit der Verwendung von Graphitteilen werden nämlich eine gute elektrische Leitfähigkeit der

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Bürste und zugleich gute Gleiteigenschaften auf dem mit dem rotierenden Maschinenteil verbundenen Kontaktkörper, beispielsweise einem Schleifring oder einem Kommutator, gewährleistet. Die Laufeigenschaften einer solchen Bürste sind hauptsächlich durch den Reibwert /U als Funktion der Umfangsgeschwindigkeit des mit dem rotierenden Maschinenteil verbundenen Kontaktkörpers und durch den Spannungsabfall Δυ als Funktion der über die Bürste übertragenden Stromdichte bestimmt.

Beide Größen hängen stark von der sich auf dem rotierenden Kontaktkörper bildenden Fremdhaut ab, die auch als Film oder Patina bezeichnet wird. Diese Fremdhaut setzt sich aus den bei Betrieb abgeriebenen Materialien der Bürste und des Kontaktkörpers zusammen.

Ihre Dicke und Beschaffenheit wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflußt. So wird sie beispieleweise durch die stoffliche Zusammensetzung des Graphite und des Kontaktkörpers, durch die vorgesehene Stromdichte sowie durch die Umfangsgeschwindigkeit und die Tempe ratur des Kontaktkörpers bestimmt. Außerdem hängt sie vom Anpreßdruck der Bürste und insbesondere auch von den sich stets ändernden Einflüssen der Atmosphäre wie Boden- oder Höhenklima, Luftfeuchtigkeit, chemisch aggressiven Gasen und Dämpfen ab.

Eine Stromübertragungsbürste mit einem verhältnismäßig geringen Abrieb bei 'zugleich hoher Stromdichte und geringem Anpreßdruck ist mit der deutschen Patentanmeldung P 28 17 371.9 vorgeschlagen. Der Schleifkörper dieser Bürste enthält eine Vielzahl von zu einem

Stapel zusammengefaßten Graphitfolien aus einem hochgraphitierten Graphit. Dieses Graphitmaterial hat einen hohen prozentualen Anteil an kristallisiertem Graphit. Mindestens eine der beiden Flachseiten zumindest einiger der Graphitfolien kann dabei mit

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einer Schicht aus einem elektrisch leitenden Material versehen sein, so daß der Schleifkörper in Richtung des Stromflusses parallel zur Folienebene besonders niederohmig und sein Spannungsabfall entsprechend gering ist.

Es hat sich nun gezeigt, daß auch bei dieser Stromübertragungsbürste bei steigenden Umfangsgeschwindigkeiten zusätzliche Kontaktwiderstände auftreten, da die rotierenden Schleifringe oder Kommutatoren der Maschinen nie ideal rund ausgeführt werden können. Die weniger flexiblen Graphitfolien können dann für sehr kurze Zeit abheben. Bereits ein geringes Abheben von nur wenigen Mikrometern führt aber zu sogenanntem Bürstenfeuer, das stets mit einem erhöhten Materialabtrag verbunden ist und im allgemeinen nur schwer zu unterdrücken ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die vorgeschlagene Stromübertragungsbürste mit Graphitfolien dahingehend zu verbessern, daß das Auftreten solchen Bürstenfeuers vermindert ist, ohne daß damit ein wesentlich erhöhter Materialabtrag verbunden ist.

Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Stromübertragungsbürste erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest zwischen einigen benachbarter Graphitfolien mindestens eine dünne Matte und/oder ein dünner Filz aus hoch-graphitierten, mit einem elektrisch gut leitenden Material beschichteten Graphitfasern angeordnet ist.

Es ist zwar mit der deutschen Patentanmeldung P 28 17 402.9 bereits eine StromUbertragungsbUrste mit einem Schleifkörper mit einer Stapelanordnung

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aus Matten oder Filzen aus hoch-graphitierten Graphitfasern vorgeschlagen worden. Eine derartige Bürste ist zwar ausreichend flexibel. Aber auch bei diesem Bürstentyp ist ein verhältniemäBig starkes Feuer bei gleichzeitig erhöhtem Materialabtrag zu beobachten.

überraschenderweise läßt sich das Feuer einer Bürste mit einem Graphitfolien-Schleifkörper stark vermin dem, wenn gemäß der Erfindung zwischen den einzelnen Oraphitfolien solche an sich bekannte Matten oder Filze eingefügt werden. Mit der Zwischenschichtung der Fasermatten oder -filze wird nämlich in jedem Falle eine Erhöhung der Flexibilität des Schleif körpers bewirkt, so daß stets ein guter galvanischer Kontakt zwischen der Bürste und dem Kontaktkörper der Maschine gegeben ist, auch dann, wenn die weniger flexiblen Folien für sehr kurze Zeit abheben und damit ein Feuer verursachen könnten. Die Matten mit ihren metallisierten Graphitfasern schließen nämlich in diesem Fall die abhebenden Folien kurz. Mit der Unterdrückung des Feuers wird vorteilhaft der Abrieb des Schleifkörpers stark, z.B. um eine Größenordnung oder mehr im Vergleich zur reinen Folienbürste, unter sonst gleichen Betriebsbedingungen reduziert. Außerdem sind vorteilhaft bei eingeprägtem Strom die Spannungsschwankungen wesentlich vermindert.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. schematisch ein Querschnitt durch eine Stromübertragungsbürste gemäß der Erfindung veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt schematisch einen vergrößerten

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Aueechnitt einer Oraphitfaaeroatte für eine solche Bürste.

Die In Flg. 1 dargestellte Bürste 2 1st starr mit einem in der Figur nicht ausgeführten feststehenden Maschinenteil einer elektrischen Maschine verbunden. Zur Stromübertragung zwischen diesem feststehenden Maschinenteil und einem in der Figur nur angedeuteten,um eine Achse 4 rotierenden Maschinenöl 0 teil 5 schleift die Bürste 2 mit ihrem Schleifkörper 6 auf der zylindrischen Außen- oder Lauffläche 8 eines mit dem rotierenden Maschinenteils 5 verbundenen Kontaktkörpers 9« Beispielsweise sei angenommen, daß die Lauffläche 8 die Kontaktfläche des Kommutators 9 einer Gleichstrommaschine ist. Die Lauffläche 8 kann aber auch die Kontaktfläche eines Schleifringes einer Drehstrommaschine sein. 0er Schleifkörper 6 der Bürste 2 enthält eine Stapelanordnung mit einer Vielzahl von metallisierten Graphitfolien 11. Nach der Erfindung sind zwischen zumindest einigen dieser Folien jeweils metallisierte Graphitfasermatten oder -filze angeordnet. Gemäß dem Ausfuhrungsbeispiel selen Graphitfasermatten 12 angenommen. Die dem rotierenden Maschinenteil abgewandten Enden der Folien 11 und Matten 12 werden durch ein Rahmenelement 14, beispielsweise einen Kupferrahmen, mechanisch zusammengehalten.

Die Bürste £ ist bezüglich der Lauffläche 8 des mitrotierenden Kommutators 9 der Maschine so angeordnet, daß ihre Graphitfolien 11 und Graphitfasermatten 12 senkrecht auf dieser Lauffläche 8 stehen. Darüber hinaus liegen vorteilhaft im Fall der angenommenen Kommutatormaschine die Flachseiten der Folien und Matten in Ebenen, die von der Rotationsachse k des

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rotierenden Maschinenteiles orthogonal durchsetzt werden. Mit dieser Anordnung der Folien und Matten wird nämlich trotz der Flexibilität des Schleifkörpers 6 ein zu starkes Verbiegen der einzelnen Folien und Matten in Umlaufsrichtung vermieden und eine konstante Abmessung des Schleifkörpers 6 in bezug auf die Abmessungen der von ihm erfaßten Kommutatorsegmente gewährleistet. Im Fall von Drehstrommaschinen mit Schleifringen als mitrotierenden Kontaktkörpern kann die Bürste auch so angeordnet sein, daß ihre Graphitfolien 11 und Graphitfasermatten 12 in zur Rotationsachse 4 parallelen Ebenen liegen.

Als Graphitfolien 11 können handelsübliche Folien mit hohem Graphitkrietallisationsgrad verwendet werden (beispielsweise Fa. SIGRI Elektrographit GmbH, D-8901 MoitIngen: Sigraflex). Derartige Folien werden durch thermisches Zersetzen von Graphiteinlagerungs verbindungen hergestellt. Die dabei anfallenden Graphit flocken werden durch Vorpressen oder Walzen ohxHT Zusatz von Füll- oder Bindemitteln zu Folien verarbeitet. Die Dicke der für die BÜrfcte 2 verwendeten Graphitfolien 11 liegt vorteilhaft unter einem Milli meter, insbesondere unter 200 /um. Das Folienmaterial ist dabei vorteilhaft stark anisotrop. So ergeben sich beispielsweise bei einer Rohdichte des Graphitmaterials von 1 g/cm³ und bei einer Temperatur von 20⁰C in Längsrichtung der Folie ein spezifischer

elektrischer Widerstand von 10* /uJ^L · cm und eine Wärmeleitfähigkeit von 200 W/mK, während senkrecht dazu die entsprechenden Werte bei 6,5 · 10 /uß. cm bzw. 7 W/mK liegen. Jede der Graphitfolien 11 ist z.B. einseitig mit einer Schicht 15 aus einem elektrisch gut leitenden Metall, beispielsweise Kupfer,

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Silber oder einer zwei- oder mehrkomponentigen Legierung überzogen. Vorzugswelse wird eine Silberschicht oder eine Doppelschicht aus Chrom und Silber vorgesehen. Das Aufbringen dieser Schicht kann nach den bekannten Dünnschichtverfahren wie z.B. durch Elektroplattieren, chemisch stromloses Plattieren, Plasma- oder Ionenplattleren, durch Sputtern oder Aufdampfen erfolgen. Bevorzugt wird eine Aufdampftechnik, da hierdurch eine gute Haftung des Schlcht- materials auf dem Graphitmaterial erreicht wird. In jedem Fall ist bei den Beschichtungsverfahren eine starke Erwärmung der Graphitfolie von über 1OO°C während des BeSchichtungsvorganges zu vermeiden, da die Folie sonst zu stark ausgast und sich deshalb die Haftung des elektrisch leitenden Materials verschlechtert. Die Dicke der aufgebrachten Schicht 15 kann beispielsweise zwischen 0,1 /um und 500 /um, vorzugsweise zwischen 1 /um und 50 /um, liegen.

Wie in Fig. 1 ferner angedeutet ist, können die Schichten 15 aus dem elektrisch leitenden Material zusätzlich von einer dünnen Schicht 16 abgedeckt sein, die insbesondere als Korrosionsschutz für das Material der Schicht 15 dient und beispielsweise aus Kobalt, Chrom oder Nickel besteht. Durch eine solche Schicht 16 kann u.a. eine Silberschicht gegenüber Schwefel-Einflüssen aus der Atmosphäre abgeschirmt werden.

Gemäß dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 1 wurde eine einseitige Beschichtung der Graphitfolien 11 vorgesehen. Für die StromUbertragungsbürste nach der Erfindung lassen sich aber auch beidseitig, ein- oder auch mehrschichtig metallisierte Folien verwenden, wo bei auch unterschiedliche Schichtdicken und gegebenen-

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falls auch unterschiedliche Materialien auf den beiden Flachseiten jeder Graphitfolie aufgebracht sein können.

Die für die StromUbertragungsbUrste nach der Erfindung vorgesehenen metallisierten Graphitfasermatten 12 können z.B. aus handelsüblichen Matten, bestehend aus kurzgeschnittenen, regelos angeordneten Graphitfasern mit hohem Graphitkristallisationsgrad, herge- stellt werden (beispielsweise Firma Toray Industries, Inc., Tokio, Japan: Torayca Mat AO-010). Derartige Matten haben eine Dichte von belspielsweose 10 g/nr und eine Dicke unter 0,5 mm, vorzugsweise unter 100 y\m. Die Graphitfasern sind z.B. auf Polyacrylnitril-Basis hergestellt. Die kurzgeschnittenen Graphitfaserstücke der Matte werden durch ein Bindemittel , beispielsweise ein Phenol-Formalin-Kunstharz,mechanisch zusammengehalten und handhabbar gemacht, wobei der Bindemittelanteil am Gesamtgewicht der Matte etwa 5 bis 9 Gew.-Ji beträgt. Die Fasern dieser noch unbeschichteten Graphitfasermatten 12 werden dann mit einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise mit Kupfer oder einer zwei- oder mehrkomponentigen Legierung überzogen. Vorzugsweise wird eine Silberschicht vor gesehen. In Fig. 2 sind vergrößert drei entsprechende Faserstücke 18, 19 und 20 einer solchen Graphitfasermatte angedeutet. Jedes dieser Faserstücke enthält einen Graphitfaserkern 21, auf dem eine Schicht 22 aus dem elektrisch leitenden Material aufgebracht ist. Das Aufbringen dieser Schicht kann nach den bekannten DUnnschlcht-Verfahren wi· z.B. durch stromlose oder galvanische Abscheidung erfolgen. Besonders günstig sind physikalische Verfahren wie z.B. eine Metallisierung der Fasern durch Ionenplattieren.

Die Dicke der so aufgebrachten Schichten aus dem

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elektrisch leitenden Material kann beispielsweise zwischen 0,1 /um und 50 /um, vorzugsweise zwischen 0,3 /um und 5 /um, liegen.

Wie in Fig. 2 ferner ausgeführt ist, sind gegebenenfalls die Schichten 22 aus dem elektrisch leitenden Material zusätzlich von einer dünnen Schicht 23 abgedeckt. Es kann nämlich, besonders bei Anwendung der Bürsten nach der Erfindung in trockenen Klimata, vorteilhaft sein, reibungsminderade Schichten wie z.B. aus Molybdändisulfid MoS₂ oder Niobdiselenid NbSe₂ zusätzlich auf die Schichten 22 aus dem elektrisch leitenden Material, beispielsweise ebenfalls durch Ionenplattieren, aufzubringen. Diese Schichten 23 können zusätzlich als Korrosionsschutz für das Material der Schichten 22 dienen.

Die in Fig. 1 dargestellten, zu einem Stapel zusammengefaßten metallisierten Graphitfolien 11 und Graphitfasermatten 12 lassen sich jedoch an ihren in dem Kupferrahmen 14 liegenden Enden schlecht mit einer Stromzu- oder -abfUhrungsleitung verlöten» Wie in dieser Figur ferner angedeutet ist, werden deshalb diese Enden mit einer an die Stromzu- oder -abführungsleitung, beispielsweise ein Kupferseil 25, angeschlossenen Kontaktplatte 26 mittels einer Schicht 27 aus einem Leitkleber elektrisch leitend verbunden.

Gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel enthält eine Strom-Übertragungsbürste nach der Erfindung 50 Graphitfolien, die Jeweils 100 yum dick, etwa 5 cm lang und 2 cm breit sind. Als Folienmaterials sind handelsübliche Graphitfolien vorgesehen (Firma SIGRI: Sigraflex-F). Das Folienmaterial weist eine starke Anisotropie in seiner thermischen und elektrischen Leitfähigkeit auf.

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Jede dieser Graphitfolien 1st beidseitig mit einer 5 /um dicken Silberschicht versehen. Zwischen benachbarten Graphitfolien ist Jeweils eine Graphitfasermatte mit einer Rohdichte von 10 g/m² angeordnet, die 80 /um dick, etwa 5 cm lang und 2 cm breit ist. Als Mattenmaterial sind handelsübliche Graphitfasermatten vorgesehen (Firma Toray: Torayca Mat AO-010). Das Mattenmaterial ist ebenfalls stark anisotrop bezüglich seiner thermischen und elektrischen Leit fähigkeit. Die Fasern jeder dieser zunächst unbe- handelten Graphitfasermatten sind durch Aufsputtern mit einer etwa 1 /um dicken Silberschicht versehen. Die zu einem Stapel zusammengefaßten Graphitfolien und Graphitfasermatten sind in einem Kupferrahmen mit quadratischer Innenöffnung von 2x2 cm gehalten und mittels einer Silberleitpaste über eine Kupferplatte elektrisch an ein Kupferseil angeschlossen. Als Kontaktkörper eines rotierenden Maschinenteils ist ein Schleifring aus Chrom-Nickel-Stahl vorge sehen, der sich mit einer Umlaufgeschwindigkeit von 40 m/sec unter der Bürste hinwegdreht. An dieser Bürste wird dann eine Stromtragfähigkeit von 20 A/cm eingestellt. Dabei stellt sich über der gesamten Bürste einschließlich der Kontaktzone bei Plus-Polung ein Spannungsabfall Λϋνοη etwa 0,9 Volt und bei Minus-Polung von etwa 1,2 Volt ein. Der Abrieb einer solchen Bürste beträgt vorteilhaft etwa 1 mm pro 1000 Stunden.

Die Stromübertragungsbürste nach der Erfindung kann durch eine geeignete Wahl der Dicke und der Rohdichte ihrer Folien und Matten, der Dicke der auf ihnen aufgebrachten Metallschichten sowie der Packungsoder Stapeldichte an unterschiedliche Maschinentypen optimal angepaßt werden, ohne daß dadurch die Her-

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stellung der Bürsten jeweils nennenswert geändert werden rntlBte. Darüber hinaus kann durch Verwendung von beschichteten und unbeschichteten Folien und Matten oder unterschiedlich stark beschichteten Folien und Matten in der Bürste und in einer bestimmten Anordnung eine lokal unterschiedliche Stromdichte eingestellt werden. So kann man z.B. an der ab- und anlaufenden Bürstenkante unbeschichtete oder dünn mit weniger gut leitendem Material be~ schichtete und damit höheronmige Folien und Matten verwenden.

Das Verhältnis von metallisierten Graphitfolien 11 zu metallisierten Graphitfasermatten 12 des Stapels der Stromübertragungsvorrichtung nach der Erfindung läßt sich in weiten Grenzen variieren. Das Follenzu Mattenverhältnis kann, wie im AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 1 angenommen, z.B. 1:1 betragen. Jedoch ist es auch möglich, ein größeres Verhältnis von z.B. 10:1 zu wählen.

Im AusfUhrungsbeispiel und in den Figuren 1st davon ausgegangen, daß mit der Bürste gemäß der Erfindung ein Strom zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Maschinenteil übertragen wird. Die Ver wendung dieser Bürste ist Jedoch nicht auf zylindrische Kontaktflächen 8 beschränkt. Ebenso kann die Bürste auch für den Einsatz an ortsfesten, langgestreckten Stromschienen vorgesehen sein.

7 Patentansprüche 2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

( 1.JStromübertragungsbUrste mit einem Schleifkörper, cter eine Stapelanordnung von sich zumindest annähernd senkrecht zur Kontaktfläche der Bürste erstreckenden Folien aus einem hoch-graphitierten Graphit enthält, die zumindest teilweise mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest zwischen einigen benachbarter Graphitfolien (11) jeweils mindestens eine dünne Matte (12) und/oder ein dünner Filz aus hoch-graphitierten, mit einem elektrisch gut leitenden Material beschichteten Graphitfasern (21) angeordnet ist.
2. Stromübertragungsbürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Graphitfolien (11) zu Graphitfasermatten (12) bzw. Graphitfaserfilzen zwischen 1:1 und 10:1 liegt.
3. Stromübertragungsbürste nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Dicke der Graphitfasermatten (12) und/oder Graphitfaserfilze unter 0,5 mm, vorzugsweise unter 100 /um.
4. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Graphitfasermatten (12) und/oder Graphitfaserfilze unterschiedlicher Dicke.
5. Stromübertragungsbürste nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf den beschichteten Graphitfasern

(21) der Matten (12) und/oder Filze eine Schicht (23)

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aus einen; reibungsmindernden Material aufgebracht ist.
6. StromübertragungsbUrste, die auf dem rotierenden Kontaktkörper einer Maschine schleift, nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dad' ure h gekenn zeichnet , daß die Flachseiten der Graphitfasermatten (12) und/oder Graphitfaserfilze sowie der Graphitfolien (11) in Ebenen angeordnet sind, di· orthogonal von der Rotationsachse (4) des Kontaktkörpers ι 9) durchsetzt sind.
7. StromUbertragungsbürste nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (21) der Graphitfasermatten (12) und/oder Graphitfaserfilze mit demselben elektrisch leitenden Material beschichtet sind wie die Graphitfolien (11).

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