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Title:
CARBON BRUSH AND METHOD AND MATERIAL FOR THE PRODUCTION THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/064756
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a carbon brush comprising a base body produced from a carbon material by pressing and optionally sintering, and a layer consisting of a metallic material and applied to an outer surface of the base body by pressing and optionally sintering. The metallic layer can be connected to the metallic carrier by welding or soldering.

Inventors:
BACHAUER GERHARD (AT)
BOETTGER CHRISTIAN (DE)
Application Number:
PCT/EP2004/014235
Publication Date:
July 14, 2005
Filing Date:
December 14, 2004
Export Citation:
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Assignee:
HOFFMANN & CO ELEKTROKOHLE AG (AT)
BACHAUER GERHARD (DE)
BOETTGER CHRISTIAN (DE)
International Classes:
H01R39/20; H01R39/39; (IPC1-7): H01R39/39; H01R39/20
Foreign References:
US3601645A1971-08-24
US5270504A1993-12-14
DE10207406A12003-09-11
Attorney, Agent or Firm:
Glawe, Delfs Moll (München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Kohlebürste mit einem aus Kohlewerkstoff hergestellten Grundkörper (1) und einer an einer Außenfläche des Grundkörpers aufgebrachten Metallschicht (2), die durch Schweißen oder Löten mit einem metallischen Träger verbindbar ist, wobei die Metall schicht (2) eine aus Metallpulver durch Pressen und ggf. Sintern hergestellte und mit dem Grundkörper (1) durch Pressen und ggf. Sintern unlösbar verbundene Schicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (2) ein Grundmetall (A) und mindestens ein weiteres Metall (B) mit höherer Duktilität und niedrigerem Schmelzpunkt als das Grundmetall (A) enthält, wobei das weitere Metall (B) zumindest überwiegend als eine vom Grundmetall (A) getrennte Metallphase vorliegt, die mit dem Grundmetall (A) durch Pressen und ggf. Sintern innig verbunden ist, aber mit ihm überwiegend keine Legierung bildet.
2. Kohlebürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Metall (B) so gewählt ist, dass es bei Sintertemperatur in flüssiger Phase das Grundmetall (A) benetzt, aber in dieses nicht oder wenig eindiffundiert.
3. Kohlebürste nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Metall (B) aus Zinn, Indium oder Wismut oder einer Legierung davon besteht.
4. Kohlebürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Metall (B) einen Schmelz punkt von nicht mehr als 400°C und eine Bruchdehnung von nicht weniger als 5% auf weist.
5. Kohlebürste nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Metall (B) in einem Anteil zwischen 1,5 und 15 Gewichtsprozent der Metallschicht (2) vorliegt.
6. Kohlebürste nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (2) zusätzlich einen Zu satz (C) aus nichtmetallischem, organischem und/oder anorganischem Material enthält.
7. Kohlebürste nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische Zusatz (C) Stearate, Graphit, Talkum, SiC oder A1203 enthält.
8. Kohlebürste nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Metallschicht (2) mit einem Träger (3) aus Metall durch Schweißen oder Löten verbunden ist.
9. Kohlebürste nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass derTrägereineBlattfeder (3) ist.
10. Werkstoff für die Herstellung einer schweißund/oder lötbaren Schicht einer Koh lebürste, bestehend aus einer Pulvermischung, die ein pulverförmiges Hauptmetall (A), insbesondere Kupfer oder Kupferlegierung, und ein pulverförmiges Zusatzmetall (B) mit höherer Duktilität und niedrigerem Schmelzpunkt als das Hauptmetall enthält wobei das Hauptmetall (A) Kupfer oder eine Kupferlegierung und das Zusatzmetall (B) Zinn, Indium oder Wismut oder eine Legierung davon ist.
11. Werkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass er einen pulverförmigen Zusatz (C) aus nichtmetallischem, organischem und/oder anorganischem Material enthält.
12. 1 2.
13. Werkstoff nach Anspruch 1 0 oder 11,<BR> d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Zusatzmetall (B) in einem Anteil von 1,5 bis 15 Volumenprozent der Pulvermischung vorliegt.
14. Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste, die einen Grundkörper aus Kohle werkstoff und eine mit diesem unlösbar verbundene Metallschicht aufweist, mit den Schritten : a) Herstellen des Grundkörpers durch Pressen und Sintern eines pulverförmigen koh lehaltigen Werkstoffs ; b) gleichzeitig mit oder nachfolgend auf Schritt a) : Herstellen der Metallschicht durch Pressen und Sintern eines pulverförmigen metallischen Werkstoffs, wobei die Metallschicht durch Pressen und Sintern unlösbar mit dem Grundkörper ver bunden wird ; c) wobei der pulverförmige metallische Werkstoff eine Mischung aus einem pulver förmigen Grundmetall A und mindestens einem pulverförmigen weiteren Metall B mit höherer Duktilität und niedrigerem Schmelzpunkt als das Grundmetall A ent hält ; und d) wobei das weitere Metall B und die Sintertemperatur so gewählt sind, dass das weitere Metall beim Sintern in flüssiger Phase das Grundmetall A benetzt, aber in dieses nicht oder wenig eindiffundiert derart, dass in der Metallschicht das weitere Metall B zumindest überwiegend als eine vom Grundmetall A getrennte und mit diesem überwiegend nicht legierte Metallphase vorliegt.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptmetall A Kupfer oder Kupferlegierung und das weitere Metall B aus Zinn, Indium oder Wismut oder einer Legierung davon besteht.
Description:
Kohlebürste sowie Verfahren und Werkstoff zu ihrer Herstellung Kohlebürsten für elektrische Motoren oder Generatoren müssen an einer Halterung be- festigt sein, die für den nötigen Anlagedruck am Kommutator oder dgl. sorgt und die dem Verschleiß der Kohlebürste entsprechende Nachführbewegung ermöglicht. Ein we- gen seiner Einfachheit, Kostengünstigkeit und niedrigen Gewichts besonders geeigneter Träger für die Kohlebürste ist eine Blattfeder, die zusätzlich zur Funktion der Halterung und Führung auch die Funktion der Stromübertragung übernehmen kann. Es stellt sich aber das Problem der Befestigung der Kohlebürste an der Blattfeder derart, dass einer- seits die erforderliche mechanische Festigkeit im Dauerbetrieb und andererseits die Ü- bertragung hoher Ströme gewährleistet ist.

Aus DE 102 07 406 AI ist eine Kohlebürste gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, die an einer als Träger dienenden Blattfeder durch Schweißen oder Löten be- festigt ist und zu diesem Zweck an der mit dem Träger zu verbindenden Fläche verzinnt, vernickelt oder in sonstiger Weise metallisiert ist.

Aus DE 40 40 002 A1 ist eine Kohlebürste für einen Benzinpumpenmotor bekannt, die an einer als Träger dienenden Blattfeder angelötet ist und zu diesem Zweck eine lötbare Schicht aufweist, die aus einer Kupferschicht und einer auf dieser aufgebrachten Zinn- schicht besteht. Mit derartigen Metallisierungen bzw. in der Regel galvanisch aufge- brachten Metallschichten ist es jedoch schwierig, eine Löt-oder Schweißverbindung zwischen Kohlebürste und Blattfeder herzustellen, die eine für den Dauerbetrieb ausrei- chende mechanische, thermische und elektrische Belastbarkeit aufweist. Insbesondere ist der Spammngsausgleich zwischen der Kohlebürste und der Blattfeder aufgrund des unterschiedlichen Elastizitätsmodus und thermischen Ausdehnungskoeffizienten prob- lematisch.

Aus DE 24 44 957 AI ist es bekannt, eine mit einer löt-oder schweißbaren Metall- schicht versehene Kohlebürste dadurch herzustellen, dass eine Schicht aus pulverförmi- gem kohlehaltigen Material und eine Schicht aus Metallpulver gemeinsam verpresst und dann wärmebehandelt werden. Das Metallpulver besteht aus Kupfer.

Aus US 3,601, 645 AI ist es bekannt, eine elektrische Kontaktbürste mit einem aus Me- tall und Kohlewerkstoff bestehenden Grundkörper und einer mit diesem unlösbar ver- bundenen Metallschicht durch Pressen und Sintern eines pulverförmigen Metall- Kohlewerkstoffs für den Grundkörper und eines Metallpulvers herzustellen, wobei die Metallschicht aus Kupfer, Eisen oder einer Legierung bestehen kann.

Aus DE 32 17 217 C2 ist es bekannt, eine Kontaktbürste durch Verpressen eines Bün- dels von metallbeschichteten Kohlenstofffasern herzustellen, wobei die Metallbeschich- tung der Kohlenstofffasern u. a. aus Kupfer, Aluminium, Zinn, Eisen oder einer Legie- rung davon bestehen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kohlebürste sowie ein Verfahren und einen Werkstoff für ihre Herstellung anzugeben, die eine einfache, mechanisch und e- lektrisch hoch belastbare Verbindung mit einer Blattfeder ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe ist in den Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden näher und anhand eines Ausführungsbeispiels erläu- tert.

Es ist kommerziell interessant, Kohlebürsten mit Blattfedern zu verschweißen, weil da- mit eine Verbindung realisiert werden kann, mit der hohe Ströme von mehr als 15 A übertragen werden können. Dies würde es erlauben, auch Motorbauarten auf diese kos- tengünstige Bauart umzustellen, die wegen zu hoher Anforderungen bezüglich der Stromstärke beim Blockiertest oder auch im Dauerbetrieb bisher nicht nach diesem Konzept gefertigt werden konnten. Motoren dieser Art, bei denen die Kohlebürste bei kleinen Abmessungen hohe Ströme übertragen muss, sind z. B. Stellantriebe in Kraft- fahrzeugen wie z. B. Antriebe für Fensterheber, Sitzverstellungen, Schiebedächer, Spie- gelverstellungen und dgl.

Erfindungsgemäß ist eine Kohlebürste vorgesehen, die neben dem üblichen, ein-oder mehrschichtigen Grundkörper aus gepresstem und gesinterten Kohlewerkstoff mindes- tens eine Außenschicht aus metallischem Werkstoff aufweist, die die Schweiß-oder Lötbarkeit der Kohlebürste sicherstellt, wobei diese Metallschicht ebenfalls durch Pres- sen und Sintern hergestellt und mit dem Grundkörper verbunden ist.

Für das Schweißen oder Löten einer Kohlebürste muss ein geeignetes Schweißverfahren (z. B. Ultraschallschweißen, Laserschweißen oder dgl. ) oder Lötverfahren angewendet werden und ferner muss für die Herstellung der Kohlebürsten mit einer schweißbaren Metallschicht ein Werkstoff zur Verfügung stehen, der sich einerseits bei der pulverme- tallurgischen Verarbeitung gut mit dem Kohlewerkstoff des Grundkörpers der Kohle- bürste verbindet und andererseits mit dem ausgewählten Verfahren gut zu schweißen oder zu löten ist. Es wurde gefunden, dass reines Kupfer und seine Legierungen sowie Eisen oder Stahl nicht geeignet sind, weil ihr Wärmeausdehnungskoeffizient und Elasti- zitätsmodul nicht mit dem des Kohlewerkstoffs des Grundkörpers der Kohlebürste im Sinterverfahren kompatibel ist. Werkstoffe, die dem Kohlewerkstoff des Grundkörpers der Kohlebürste ähnlich sind, scheiden ebenfalls aus, da sie sich, bedingt durch den ent- haltenen Graphitanteil, nicht verschweißen lassen.

Es wurde erfindungsgemäß gefunden, dass ein metallischer Werkstoff in Form eines Pulvergemisches aus einem Bestandteil A, einem duktilen und niedrigschmelzenden Bestandteil B und ggf. weiteren Zusatzstoffen C beiden Notwendigkeiten, nämlich der guten Verbindung durch Pressen und Sintern mit dem funktionellen Kohlewerkstoff des Grundkörpers der Kohlebürste einerseits und der guten Schweißbarkeit oder Lötbarkeit andererseits gleichzeitig gerecht wird.

Erfindungsgemäß macht der Bestandteil A den überwiegenden Teil, vorzugsweise mehr als 80%, des Werkstoffs aus und besteht vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupfer- gierung mit z. B. Sn, Zn, Ni oder Ag. Er liegt vorzugsweise in Pulverform mit einem mittleren Durchmesser Dso von 15 bis 25 um vor.

Der Bestandteil B ist ein zusätzliches Metall, das eine höhere Duktilität und niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als der Bestandteil A. Vorzugsweise liegt der Schmelzpunkt bei 400°C oder darunter und die Bruchdehnung bei 5% oder darüber. Der Bestandteil B besteht vorzugsweise aus Sn oder eine Legierung von Sn mit z. B. Cu, Ag, Sb, Zn, Ga, In, Bi oder Pb. Der Metallbestandteil B kann auch aus In und/oder Bi oder einer Legie- rung mit In oder Bi bestehen. Sein Anteil an der gesamten Pulvermischung des Werk- stoffs beträgt vorzugsweise 1,5 bis 15 Gewichtsprozent. Das zusätzliche Metall B liegt vorzugsweise in einer mittleren Korngröße Dso von 15 bis 35 um vor.

Zusätzlich kann der Werkstoff vorzugsweise einen oder mehrere nichtmetallische, orga- nische und/oder anorganische Zusätze C in Pulverform enthalten. Als derartige Zusätze kommen z. B. Stearate, Graphit, Talkum, SiC oder A1203 in Betracht. Ihre mittlere Korn- größe Dso beträgt vorzugsweise nicht mehr als 20 um.

Ein bevorzugtes Beispiel zur Zusammensetzung des Werkstoffs ist (Angaben in Ge- wichtsprozent) : A : 92% Cu (Dso 15-25 um) B : 7,5% Sn (Dso 15-55 um) C : 0,5% Graphit (Dso zig 20 um).

Der angegebene Werkstoff lässt sich pulvermetallurgisch einwandfrei durch Verpressen und Sintern verarbeiten und verbindet sich hervorragend mit der funktionellen Schicht (Grundkörper) der Kohlebürste zur Bildung einer Metallschicht mit hervorragender Schweiß-und Lötbarkeit. Es hat sich gezeigt, dass beim Pressen und Sintern das nied- rigschmelzende und duktile Metall B das Grundmetall A benetzt, aber in dieses nicht oder wenig eindiffundiert.

Dadurch wird gewährleistet, dass der überwiegende oder jedenfalls ausreichende Teil des Metalls B nach dem Sintern nicht mit dem Metall A legiert ist, sondern rein vorliegt und somit die gewünschte Duktilität der Metallschicht erzielt wird. Durch die Duktilität des Werkstoffs wird ein Spannungsausgleich zwischen dem Grundkörper 1 der Kohle- bürste und der Schweißbahn-Metallschicht (2) einerseits und der mit der Metallschicht (2) verschweißten Blattfeder andererseits ermöglicht.

Mit anderen Worten, in der durch Pressen und Sintern hergestellten Sintermetallschicht 2 bilden das Grundmetall A und zumindest der überwiegende Teil des weiteren Metalls B zwei getrennte Metallphasen, die zwar durch das Pressen und Sintern innig miteinan- der verbunden, aber im wesentlichen nicht miteinander legiert sind.

Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung, d. h. das Sintern der Metallschicht bei einer Temperatur, die niedriger als der Schmelzpunkt des Grundmetalls A, aber höher als der Schmelzpunkt des weiteren Metalls B liegt, durchgeführt. Es handelt sich somit vor- zugsweise um eine Flüssigsinterung, bei der das weitere Metall B in flüssiger Phase, das Grundmetall A dagegen in fester, pulverförmiger Phase vorliegt. Wenn das Grundmetall A Kupfer und das weitere Metall B Zinn ist, liegt die Sintertemperatur vorteilhafterwei- se im Bereich von 300 bis 700°C, vorzugsweise im Bereich von 400 bis 500°C.

Der nichtmetallische, organische oder anorganische Zusatz C wird vom Metall B beim Sinterprozess nicht benetzt und verhindert dadurch eine unerwünscht große Diffusion des Metalls B in das Grundmetall A.

Die beigefügte Zeichnung zeigt schematisch eine an eine Blattfeder angeschweißte Koh- lebürste gemäß der Erfindung.

Die Kohlebürste hat einen Grundkörper 1, der in üblicher Weise einschichtig oder auch mehrschichtig aus einem üblichen Kohlewerkstoff für Kohlebürsten, insbesondere einer Graphitmischung mit Zusätzen, durch Pressen und Wärmebehandlung (Sintern) herge- stellt ist. Mit dem Grundkörper 1 verbunden ist die gut schweiß-oder lötbare Metall- schicht (2), die aus den o. g. erfindungsgemäßen pulverförmigen Werkstoff ebenfalls durch Pressen und ggf. Sintern hergestellt und mit dem Grundkörper 1 unlösbar verbun- den ist. Grundkörper 1 und schweißbare Metallschicht 2 können gleichzeitig durch Ver- pressen und Sintern hergestellt und miteinander verbunden werden, oder es kann der Grundkörper 1 vorgefertigt und an diesen nachträglich die schweißbare Metallschicht 2 durch Pressen und Sintern angeformt werden.

Die gut schweißbare Metallschicht 2 ermöglicht es, die gesamte Kohlebürste durch Schweißen an einer Blattfeder 3 zu befestigen, beispielsweise durch Schweißpunkte 4 oder z. B. durch eine durchgehende Schweißnaht.

Die Dicke der Sintermetallschicht 2 richtet sich nach den Erfordernissen des für die Ver- bindung mit der Blattfeder 3 gewählten Schweiß-oder Lötverfahrens. Vorzugsweise liegt die Dicke der Metallschicht 2 im Bereich von 0,2 bis 5 mm. Für eine Lötverbin- dung mit der Blattfeder 2 dürfte in der Regel eine Dicke der Metallschicht 2 von weni- ger als 1 mm, insbesondere im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm ausreichen. Für eine Schweißverbindung dürfte in der Regel eine Dicke von mindestens 1 mm, z. B. im Be- reich von 2 bis 4 mm, vorteilhaft sein.




 
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