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Patent Searching and Data


Title:
CARBON BRUSH AND PRODUCTION METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/129624
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a carbon brush and a method for producing a carbon brush for electrically contacting a contact structure which moves relative to the carbon brush, in particular of a commutator or slip ring of an electric machine. A brush body of the carbon brush is produced by pressing and temperature treating a material mixture, and the material mixture is formed by mixing a graphite powder with a resin and an additive, wherein the resin is pyrolyzed by the temperature treatment after the pressing process, and graphene in a proportion of 0.01 to < 5 wt.% of the material mixture is used as the additive.

Inventors:
REYNVAAN, Sarah (Gschwandt 225, 4822 Bad Goisern, 4822, AT)
Application Number:
EP2018/086110
Publication Date:
July 04, 2019
Filing Date:
December 20, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SCHUNK CARBON TECHNOLOGY GMBH (Au 62, 4822 Bad Goisern, 4822, AT)
International Classes:
H01R43/12; H01R39/02; H01R39/20
Domestic Patent References:
WO2017032985A12017-03-02
Foreign References:
JP2005245159A2005-09-08
CN106033862A2016-10-19
CN101651281A2010-02-17
CN104901116A2015-09-09
CN104917020A2015-09-16
US20040000836A12004-01-01
DE102005057063A12006-07-06
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
ADVOTEC. PATENT- UND RECHTSANWÄLTE (Georg-Schlosser-Straße 6, Gießen, 35390, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste zur elektrischen Kon taktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen

Maschine, wobei ein Bürstenkörper der Kohlebürste durch Pressen und Temperaturbehandlung einer Materialmischung ausgebildet wird, wobei die Materialmischung durch Mischen eines Graphitpulvers mit einem Harz und einem Additiv ausgebildet wird, wobei das Harz nach dem Pressen mittels der Temperaturbehandlung pyrolysiert wird, dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass als Additiv Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 5 Ge- wichtsprozent der Materialmischung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass das Harz nach oder während dem Pressen ausgehärtet wird, wo- bei die Pyrolyse des Harzes bei einer Temperatur von > 500° C durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass der Bürstenkörper Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 4 Gewichtsprozent, bevorzugt von 0,01 bis < 3 Gewichtsprozent, be- sonders bevorzugt von 0,01 bis < 2 Gewichtsprozent, aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass die Materialmischung überwiegend aus dem Graphitpulver aus- gebildet wird. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass das Harz flüssig ist und das Graphen in Partikelform vor einer Mischung mit dem Graphitpulver dem flüssigen Harz zugegeben wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass das flüssige Harz mit einem Lösungsmittel, bevorzugt Aceton, verdünnt wird, wobei das Lösungsmittel nach oder während dem Pressen mittels Wärmebehandlung entfernt und das Harz ausgehärtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass das Harz fest ist und verflüssigt wird, wobei das Graphen in Partikelform vor einer Mischung mit dem Graphitpulver dem flüssi- gen Harz zugegeben wird, wobei das Harz verfestigt und zu einem

Pulver verarbeitete wird, wobei das Pulver mit dem Graphitpulver gemischt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,

dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass eine homogene Dispersion von Graphen und Harz ausgebildet wird. 9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass Graphen mit einer mittleren Partikelgröße von < 2 pm verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass als Harz ein duroplastisches oder thermoplastisches Harz, bevor zugt Phenolharz, verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass als Graphen Graphenoxid (GO), reduziertes Graphenoxid (rGO),

Graphennanoplatlets (GNO) und/oder Kohlenstoffnanoröhren (CNT) verwendet werden.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass dem Additiv einwandige oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröh ren und/oder Ruß zugegeben werden.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch g ek ennz e i c hn et ,

dass der Bürstenkörper mehrschichtig, bevorzugt zweischichtig oder dreischichtig, ausgebildet wird, wobei zumindest eine Schicht das Additiv aufweist und mit einer Kontaktfläche zur elektrischen Kon taktierung der Kontaktstruktur ausgebildet wird.

14. Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohle- bürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, wobei die Kohlebürste aus einen Bürstenkörper gebildet ist, der aus einer verfestigten Mate- rialmischung aus einem Grafitpulver mit einem pyrolysierten Harz und einem partikelförmigen Additiv besteht,

dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,

dass das Additiv Graphen ist und der Bürstenkörper Graphen mit ei- nem Anteil von 0,01 bis < 5 Gewichtsprozent aufweist.

15. Kraftstoffpumpe, insbesondere Benzinpumpe oder dergleichen, mit einem Elektromotor der eine Kohlebürste nach Anspruch 14 aufweist.

Description:
Kohlebürste und Verfahren zur Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Kohlebürste und ein Verfahren zur Herstel- lung einer Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, wobei ein Bürstenkörper der Kohlebürste durch Pressen und Temperaturbehandlung einer Mate- rialmischung ausgebildet wird, wobei die Materialmischung durch Mischen eines Graphitpulvers mit einem Harz und einem Additiv ausge- bildet wird, wobei das Harz nach dem Pressen mittels der Temperaturbe- handlung pyrolysiert wird. Kohlebürsten bzw. Bürstenkörper mit einer Kohlenstoffmatrix sind für besondere Anwendungen, beispielsweise in Kraftstoffpumpen, gut geeignet. So bestehen bei einem Betrieb in einer Kraftstoffumgebung bzw. bei Bürstenbetrieb in Kraftstoffpumpen besondere Betriebsbedin gungen für Kohlebürsten und die mit den Kohlebürsten zusammenwir- kenden Kommutatorsegmente, die mit Betriebsbedingungen außerhalb der Kraftstoffumgebung nicht vergleichbar sind. Dabei hat sich insbeson dere herausgestellt, dass in dieser Kraftstoffumgebung temporäre Über- Spannungen, die 14 Volt überschreiten, die Lebensdauer der Bürsten- Kommutator-Systeme erheblich verkürzen können, da infolge der Über spannungen ein Bürsten- und ein Kommutatorverschleiß erheblich anstei- gen. Die betreffenden Bürstenkörper werden daher regelmäßig aus einer Materialmischung aus Graphitpulver und Harz, welches verkokt wird, ausgebildet. Nachteilig ist hier, dass diese Bürstenkörper eine herabge setzte Bruchfestigkeit aufweisen und zur Rissbildung neigen. Auch das Anbringen einer Litze am Bürstenkörper bzw. in einer Bohrung durch Stampfen kann leicht Risse in dem Bürstenkörper bewirken. Besonders nachteilig ist es, wenn ein Bruch der Kohlebürste während eines Betriebs der Kraftstoffpumpe auftritt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung bei einer Herstellung einer Kohle bürste sowie eines Bruchs der Kohlebürste während eines Betriebs zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1 und eine Kohlebürste mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, wird ein Bürstenkörper der Kohlebürste durch Pressen und Temperaturbehandlung einer Materialmischung ausgebildet, wobei die Materialmischung durch Mischen eines Graphitpulvers mit einem Harz und einem Additiv ausgebildet wird, wobei das Harz nach dem Pressen mittels der Temperaturbehandlung pyrolysiert wird, wobei als Additiv Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 5 Gewichtsprozent der Materialmischung verwendet wird.

Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, bewirkt eine Zugabe eines geringen Anteils an Graphen zu der Materialmischung bereits eine merkliche Verbesserung einer Bruchfestigkeit und Vermeidung einer Rissbildung an dem fertig ausgebildeten Bürstenkörper. Eine Rissbildung des Bürstenkörpers beim Pressen oder einer mechanischen Nachbearbei- tung, wie beispielsweise Bohren oder Schleifen, kann durch den Zusatz von Graphen wirkungsvoll verhindert werden. Weiter kann auch eine Stabilität und thermische Leitfähigkeit des Bürstenkörpers gesteigert werden. Neben der so verbesserten Leistungsfähigkeit des Bürstenkör pers bzw. der Kohlebürste können damit auch mögliche Ausfälle der Kohlebürste während eines Betriebszeitraums, beispielsweise durch einen Bruch des Bürstenkörpers oder einer Lockerung einer in eine Bohrung im Bürstenkörper gestopften Litze, minimiert werden. Dabei ist es bereits ausreichend, wenn die Materialmischung bzw. der fertig ausgebildete Bürstenkörper den Anteil von 0,01 bis < 5 Gewichtsprozent Graphen aufweist.

Als Graphitpulver kann Naturgraphit, Kunstgraphit oder Elektrographit verwendet werden. Das Harz fungiert prinzipiell als ein Binder und kann flüssig oder fest, beispielsweise in Pulverform verwendet werden, wenn es mit dem Graphitpulver vermischt wird. Bei dem Graphen handelt es sich um eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom in einem Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist. Insbesondere durch die zweidimensionale Struktur des Graphens wird es möglich mit Harz ausgefüllte Zwischen räume zwischen Partikeln des Graphitpulvers zumindest teilweise mit Graphenpartikeln zu überbrücken ohne diese Zwischenräume zu vergrö ßern, wie dies beispielsweise bei dreidimensionalen, vergleichsweise größeren Partikeln von anderen Additiven der Pall wäre. Die Graphen partikel fügen sich vorteilhaft in die 0, 1 bis 1 pm dicke Harzschicht um die Graphitpartikel ein, ohne einen Abstand der Graphitpartikel zu vergrößern. Die Ausbildung der Materialmischung kann beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Extruders erfolgen. Wie sich weiter herausge stellt hat, kann durch die Zugabe des Graphens zu der Materialmischung eine Verbesserung weiterer physikalischer Eigenschaften des Bürstenkör pers bewirkt werden.

D as Harz kann nach oder während des Pressens ausgehärtet werden, wobei die Pyrolyse des Harzes bei einer Temperatur von > 500°C durch- geführt werden kann. Folglich kann härtbares Harz verwendet werden, sodass zunächst ein Pressformkörper des Bürstenkörpers ausgebildet werden kann, der durch das Aushärten des Harzes formstabil ist. Dieser Pressformkörper kann dann beispielsweise innerhalb eines Ofens tempe- raturbehandelt werden, sodass das Harz im Wesentlichen vollständig pyrolysiert bzw. in Kohlenstoff umgewandelt wird. Demnach ist im Rahmen des Verfahrens ein Verkoken bzw. Pyrolysieren des Harzes vorgesehen, wodurch ein spezifischer Widerstand des Bürstenkörpers wesentlich erhöht werden kann.

Der Bürstenkörper kann Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 4 Gewichtsprozent, bevorzugt von 0,01 bis < 3 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von 0,01 bis < 2 Gewichtsprozent, aufweisen. Wie sich überra schenderweise herausgestellt hat, kann bei diesem Anteil an Graphen eine Festigkeit und Feistungsfähigkeit der Kohlebürste wesentlich gesteigert werden. Gleichwohl muss der Materialmischung nur wenig Graphen zugesetzt werden, wodurch die Festigkeits- und Feistungsver- besserung der Kohlebürste kostengünstig erzielbar ist.

Vorteilhaft kann die Materialmischung überwiegend aus dem Graphitpul ver ausgebildet werden. Demnach kann die Materialmischung einen Graphitanteil von > 50 Gewichtsprozent, bevorzugt > 90 Gewichtspro- zent aufweisen. Die Materialmischung kann auch weitere Stoffe, wie beispielsweise Festschmierstoffe, Schleifmittel und/oder Metallpulver aufweisen. So ist es dann auch möglich die Eigenschaften der Kohlebürs te bzw. des Bürstenkörpers an den jeweiligen Anwendungsfall in der gewünschten Weise anzupassen. D as Harz kann flüssig sein und das Graphen kann in Partikelform vor ei- ner Mischung mit dem Graphitpulver dem flüssigen Harz zugegeben wer den. Prinzipiell kann das Harz auch pulverförmig sein, jedoch ist es be- sonders vorteilhaft, wenn das Harz flüssig ist, da dann das Graphen gut mit dem flüssigen Harz vermischt werden kann. Das Graphen kann in Partikelform in Art eines Pulvers verwendet werden, wobei die Partikel dann plattenförmig, mit zweidimensionaler Struktur vorliegen. Je nach Herstellungsverfahren des Graphens können die Platten der zweidimen sionalen Struktur gestapelt oder ungestapelt sein. Zumindest bilden die Partikel des Graphen keine Kugelform aus.

Die Materialmischung wird besonders einfach ausbildbar, wenn das flüssige Harz mit einem Lösungsmittel, bevorzugt Aceton, verdünnt wird, wobei das Lösungsmittel nach oder während dem Pressen mittels Wärmebehandlung entfernt und das Harz ausgehärtet werden kann. Durch die Verdünnung mit dem Lösungsmittel wird es möglich, eine besonders homogene Materialmischung auszubilden, die einfach in einem Extruder verarbeitet werden kann. Auch kann dann das Graphen besonders gut mit dem Harz vermischt werden. Die Aushärtung des Harzes kann dann dadurch erfolgen, dass das Lösungsmittel mittels der Wärmebehandlung verdampft und damit aus der Materialmischung bzw. dem so ausgebilde ten Bürstenkörper entfernt wird. Bei der Wärmebehandlung bzw. dem Verdampfen des Lösungsmittels kann eine Temperatur so gewählt wer den, dass ein Aushärtvorgang des Harzes initiiert wird. Auch kann das Lösungsmittel in einem Mischer verdampft werden, wobei das Graphen mit dem Harz vermischt werden kann, wobei nach einem Pressen der Mischung die Wärmebehandlung folgen kann.

Alternativ kann das Harz fest sein und beispielsweise mit einem Lö sungsmittel verflüssigt werden, wobei das Graphen in Partikelform vor einer Mischung mit dem Graphitpulver dem flüssigen Harz zugegeben werden kann, wobei das Harz verfestigt und zu einem Pulver verarbeitete werden kann, wobei das Pulver mit dem Graphitpulver gemischt werden kann. Die Mischung des Pulvers mit dem Graphitpulver kann extrudiert werden.

Vorteilhaft kann eine homogene Dispersion von Graphen und Harz ausgebildet werden. Diese Dispersion kann dann einfach mit dem Gra- phitpulver gemischt werden, wodurch eine homogene Verteilung des Graphens innerhalb der Materialmischung und damit im Bürstenkörper leicht erzielbar ist.

Wie sich herausgestellt hat, kann eine besonders hohe elektrische Leitfä higkeit des Bürstenkörpers erzielt werden, wenn Graphen mit einer mittleren Partikelgröße von < 2 pm verwendet wird.

Als Harz kann ein duoplastisches oder thermoplastisches Harz, bevorzugt Phenolharz, verwendet werden.

Als Graphen kann Graphenoxid (GO), reduziertes Graphenoxid (rGO), Graphennanoplatlets (GNO) und/oder Kohlenstoffnanoröhren (CNT) verwendet werden, die einlagig oder mehrlagig sein können. Insbesonde- re kann das verwendete Graphen in Abhängigkeit seines Herstellungsver fahrens funktionalisiert sein. Durch die Verwendung eines spezifischen Graphens wird es möglich eine Anpassung der Eigenschaften der Kohle bürste vorteilhaft vorzunehmen. Eine weitere vorteilhafte Abwandlung der Eigenschaften der Kohlebürste wird möglich, wenn dem Additiv einwandige oder mehrwandige Kohle- stoffnanoröhren (CNT-Carbon Nano Tubes), Ruß und/oder andere Gra phenmodifikationen zugegeben werden. Hier ist es dann insbesondere bei dem Ruß wesentlich, dass eine Partikelgröße des Rußes vergleichsweise klein ist. Je nach Größenverteilung der Partikel des Graphitpulvers können größere Zwischenräume zwischen den Partikeln des Graphitpul vers vorteilhaft mit Rußpartikeln ausgefüllt werden.

Der Bürstenkörper kann mehrschichtig, bevorzugt zweischichtig oder dreischichtig, ausgebildet werden, wobei zumindest eine Schicht das Additiv aufweisen und mit einer Kontaktfläche zur elektrischen Kontak tierung der Kontaktstruktur ausgebildet werden kann. Eine von der Kon taktfläche abgewandte Schicht des Bürstenkörpers kann beispielsweise einen abweichenden Anteil an Graphen aufweisen oder auch frei von Graphen sein. Die Schichten können sich auch dadurch unterscheiden, dass sie unterschiedliche Anteile an Graphitpulver und/oder Metallpulver aufweisen. So kann ein Bürstenkörper ausgebildet werden der an seiner Kontaktfläche eine besonders gute elektrische Kontaktierung und an seinem der Kontaktfläche gegenüberliegenden Ende gleichzeitig eine einfache Befestigung einer Litze ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, ist aus einem Bürstenkörper gebildet, der aus einer verfestigten Materialmi- schung aus einem Graphitpulver mit einem pyrolysierten Harz und einem partikelförmigen Additiv besteht, wobei das Additiv Graphen ist und der Bürstenkörper Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 5 Gewichtspro zent aufweist. Hinsichtlich der vorteilhaften Wirkungen der erfindungs gemäßen Kohlebürste wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungs- gemäßen Verfahrens verwiesen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Kohlebürste ergeben sich aus den auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe, insbesondere Benzinpumpe oder dergleichen, umfasst einen Elektromotor, der eine erfindungsgemäße Kohlebürste aufweist. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Kraftstoffpumpe ergeben sich aus den auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.