DE3006225A1

DE3006225A1 - Stromuebertragungsbuersten fuer elektrische hochstrommaschinen

Info

Publication number: DE3006225A1
Application number: DE19803006225
Authority: DE
Inventors: Pang-Kai Lee
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1979-06-25
Filing date: 1980-02-20
Publication date: 1981-01-15
Also published as: IT1154172B; IT8041529A0; GB2052168B; JPS566391A; US4267476A; GB2052168A; FR2460054A1

Description

"Die Erfindung betrifft Stromkollektorbürsten für elektrische Ho chs trommas chinen.

Bei vielen elektrischen Maschinen ist es notwendig, zwischen zwei Gliedern, die sich relativ zueinander bewegen, einen elektrisch leitenden Weg zu schaffen. Bei dynamoelektrischen Maschinen ist es beispielsweise üblich, eine Bürste aus elektrisch leitendem Material zu benutzen, die auf der Oberfläche eines Schleifringes oder Kommutators gleitet, um einen Stromweg zwischen dem Rotor und einem externen Anschluß zu schaffen. Ein prinzipielles Erfordernis für eine derartige Bürste ist das, daß sie in der Lage ist, einen hohen Strom pro Flächeneinheit der Grenzfläche zwischen der Bürste und der Oberfläche, die die Bürste berührt, zu führen, und die Bürste sollte hohen Abriebwiderstand und niedrige Reibung besitzen.

Fester Kohlenstoff, Graphit, und Kohlenstoffmetallblöcke wurden in der Vergangenheit für Bürsten verwendet. Diese Blöcke waren

2 ?

bezüglich der Stromdichten auf etwa 100 A/Zoll (15,5 A/cm ) begrenzt, wenn zufriedenstellender Betrieb in Luft gewähr-

030063/0675

leistet werden sollte. Mit derartigen Bürsten stand jedoch typischerweise nur etwa 1/10.000 der Bürstenoberfläche tatsächlich als wirksame Grenzkontaktfläche für die Stromübertragung zur Verfügung. Dies liegt an irregulärer Bürsten- und Schleifringoberflächentopographie, an im Gebiet der Grenzkontaktfläche vorhandenen Oxidfilmen sowie an der Ansammlung von Oberflächenschmutz. Hohe Andruckkräfte zur Verbesserung des Bürstenkontaktes führten zu hoher Bürstenreibung und Bürstenabnutzung.

Die US-Patentschrift 36 68 451 offenbart den Versuch, die Kontaktprobleme dadurch zu verringern, daß eingekapselte Vielfachelementbürsten aus nichtleitenden Fasern aus Aluminiumoxid oder Bornitrid verwendet wurden, die mit Silber oder Silberkupfer elektroplattiert oder vakuumbeschichtet waren. Diese Bürsten, die mit einem einfachen Nur-Metallfilm beschichtet waren, lieferten gute Kontaktoberflächengebiete zusammen mit hoher Festigkeit und Flexibilität. Sie konnten für Stromdichten bis zur

2 2 Größenordnung von etwa 1.000 A/Zoll (155 A/cm ) benutzt werden, und zwar bei fortlaufenden Gleitgeschwindigkeiten von bis zu etwa 18.000 Fuß/min (5.490 m/min). Jedoch zeigten sie Wärme- und Abnutzungsprobleme und sie erforderten die Anordnung eines Schmiermaterialfilms wie Molybdändisulfid oder eine Beschichtung wie Graphit oder Metallgraphit auf dem rotierenden Rotor oder auf den Schleifringen. Dies erwies sich als kompliziert und nicht vollständig wirksam.

In den letzten 15 Jahren richtete sich großes Interesse auf die Entwicklung von homopolaren Maschinen für den Schiffs- und Fahrzeugantrieb und für Trägheitsimpulsenergiespeicheranwendungen. Im allgemeinen sind dies Maschinen, bei denen d is Magnetfeld und der Stromfluß in den aktiven Leitern die gleiche Richtung bezüglich dieser Leiter aufrechterhalten, während die Maschine sich in stetigem Betrieb befindet.

Um hohen Wirkungsgrad und annehmbare Maschinengröße zu erreichen, muß das Stromkollektorsystern für diese rotierenden Hochstrommaschinen unter sehr schweren Bedingungen arbeiten. Die Strom-

030063/0675

dichtehöhe an der Bürstengrenzfläche-Kontaktgrenzfläche kann

2 2

bis zu 5.000 A/Zoll (775 Λ/cm ) bei fortlaufenden Gleitgeschwindigkeiten von bis zu 20.000 Fuß/min (6.096 m/min) betragen.

2 Impulslastmaschinenanordnungen können bis zu 25.000 A/Zoll

2
(3.874 A/cm ) bei Geschwindigkeiten von 65.000 Fuß/min (19.800 m/min) erfordern,und zwar für Zeiten, die mehrere 100 ms betragen.

In der ÜS-PS 33 82 387 werden selbstschmierende Vielelementbürsten beschrieben, wobei jedes Element aus einem Kupfer- oder Silbermetallmantel besteht, der durch Verschweißung festgehaltenen leitenden, schmierenden, pulvrigen Graphit enthält. Der Graphit bildet einen leitenden Schmierfilm, der, während er einen Kontakt des Metallmantels mit der sich bewegenden Metalloberfläche und somit einen Legierungseffekt verhindert, direkt den elektrischen Kontakt zwischen dem Metallmantel und der sich bewegenden Metalloberfläche aufrechterhält. Die Bürsten könnten

ο für Stromdichten bis zur Größenordnung von 5.000 A/Zoll

2
(775 A/cm ) bei ununterbrochenen Gleitgeschwindigkeiten von bis zu 33.000 Fuß/min (10.058 m/min) verwendet werden. Diese Art von Bürsten neigt jedoch dazu, etwas unflexibel zu sein, außerdem stellt das Füllen des Mantels, der einen inneren Durchmesser von etwa 0,02 Zoll (0,51 mm) aufweist mit Graphit ein Herstellungsproblem dar. Auch muß bei Stromdichten von über 5.000 A/Zoll² (775 A/cm²) bei Geschwindigkeiten von 50.000 Fuß/-min (15.240 m/min) der Metallbestandteil außerordentliche Schmiereigenschaften, elektrische Leistungsübertragungseigenschaften und Wärmebeseitigungsfähigkeiten besitzen, die in der Industrie bis jetzt nicht erreicht werden.

In der GB-PS 12 56 757 wird versucht, alle Stromkollektorprobleme bei homopolaren dynamoelektrischen Maschinen dadurch zu beseitigen, daß ein sehr kompliziertes und kostspieliges Flüssigmetallstromkollektorsystem der Natriumkaliumbauart benutzt wird. Zwar braucht man bei dieser Flüssigmetallkollektorbauart sich nicht über Schmierungsprobleme zu beunruhigen, auch wird hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Kontaktinnigkeit erreicht, jedoch

030063/0675

stellen diese Systeme erhebliche Probleme dar, wenn es um die Maschinenkonstruktion, die Turbulenz, die Giftigkeit und die Materialverträglichkeit geht.

Um homopolare und andere Arten von elektrischen Hochstromdrehmaschinen wirtschaftlich attraktiv zu machen, müssen neue Stromkollektoranordnungen entwickelt werden, die einfach und billig sind und die die Reibverluste wie auch die elektrischen und mechanischen Stromkollektorverluste auf einem Minimum halten. Die vorliegende Erfindung soll eine derartige Anordnung schaffen.

Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung dadurch, daß eine Stromübertragungsbürste zur Herstellung eines Reibkontaktes mit dem beweglichen Glied einer elektrischen Hochstrommaschine geliefert wird, die aus einer Vielzahl von Metallfasern besteht, wobei jede Faser mit einer Metall schmierenden Beschichtung versehen ist, wobei das Beschichtungsmetall Silber, Nickel und/oder Kupfer darstellt und eine Matrix für gleichförmig verteilte Schmierteilchen darstellt, die eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,5 bis 75 χ 10 m besitzen, wobei die Metallfasern und die Beschichtung miteinander angelassen werden und die Beschichtung wirksam wird, um einen Schmiereffekt zu liefern und den Abrieb am Gebiet des reibenden Bürstenkontaktes zu minimieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das.in den Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigt

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ei:e umschlossene, trommeiförmige homopolare dynamoelektrische Maschine;

Fig. 2 in einer Querschnittsdarstellung eine erfindungsgemäße plattierte Faserbürste;

Fig. 3 eine dreidimensionale Darstellung des Laboratoriumsgerätes , das in Beispielen verwendet wurde, um elektro-

030063/0675

abgelagerte Metall-Festkörperschmierstoff-Beschichtungen aufzubringen; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des in den Beispielen benutzen Bürstentestgerätes.

In Fig. 1 der Zeichnungen ist eine gekapselte, trommelfönnige, rotierende homopolare dynamoelektrische Hochstrommaschine 20 dargestellt. Die Theorie der homopolaren Maschinen reicht zurück bis zum Jahre 1831, als Michael Faraday den ersten homopolaren Generator an der Royal Society ausstellte. Faraday zeigte, daß eine Spannung dadurch erzeugt wurde, daß eine Scheiben zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten gedreht wurde und der Strom an der Innenseite sowie an der Außenseite des Durchmessers der Scheibe abgenommen wurde.

Eine charakteristische Eigenschaft einer homopolaren Maschine ist die, daß die Ankerwicklung aus zwei Segmenten besteht. Ein Segment rotiert und eines ist stationär. Diese Konfiguration begrenzt die Anzahl der Windungen, die in der Wicklung benutzt werden kann. Da somit die Ankerwicklung ein kleine Zahl von Windungen besitzt, weist die homopolare Maschine notwendigerweise nur eine kleine Spannung und hohen Strom auf. Die Entvicklung dieser Maschinen war in den Jahren seit 1831 nur begrenzt, weil die hohen Ströme durch Gleitkontakte zwischen den rotierenden und stationären Glieder übertragen werden mußten.

Homopolare Maschinen können in zwei Kategorien eingeordnet werden: in scheibenartige Maschinen und in trommelartige Maschinen. Für die scheibenartigen Maschinen wird ein axiales Magnetfeld durch einen Gleichstrommagneten erzeugt, welches Magnetfeld von einem scheibenförmigen Rotor geschnitten wird, welcher sich in einer Ebene bewegt, die senkrecht zu dem Feld liegt. Während die Scheibe gedreht wird, wird in radialer Richtung aufgrund ansteigender Verkopplung mit dem Magnetfeld eine Spannung erzeugt. Indem Bürsten an den äußeren Umfang der Scheibe und am Zentrum der Scheibe angeordnet werden, kann elektrische

030063/0675

Leistung herausgezogen werden, die äquivalent ist zu der eingegebenen mechanischen Leistung abzüglich der mechanischen und elektrischen Verluste in dem System.

Für die in Fig. 1 dargestellte trommelartige homopolare Maschine wird ein radiales Magnetfeld, das von Gleichstrommagnetspulen in dem Stator 11 erzeugt wird und durch gestrichelte Pfeile angedeutet wird, von einem trommeiförmigen Rotor 12 geschnitten. Wenn die Trommel rotiert, wird eine Spannung erzeugt. Wenn Bürsten 13 auf j eweils dem Ende des trommelförmigen Rotors angeordnet werden, kann elektrische Leistung von diesem System über die Leitungen 14 abgenommen werden. Eine Basis 15 und ein Gehäuse 16 sind ebenfalls dargestellt, zusammen mit einem Luftspalt 17, in dem der Rotor 12 rotiert. Der Rotorleitweg bewegt sich transversal zu den magnetischen Linien der Kraft in dem Luftspalt.

Die massive homopolare Trommelmaschine besitzt die gleichen mechanischen und elektrischen Begrenzungen wie die massive homopolare Scheibenmaschine, wo hohe periphere Geschwindigkeiten die Konstruktion der gleitenden elektrischen Bürstenkontakte begrenzen. Die Spannung dieser Maschinen kann erhöht werden, beim Scheibentyp, indem die Scheiben segmentiert und die Segmente in Serie geschaltet werden, oder indem mehrere Scheiben in Serie geschaltet werden. Bei der trommelartigen homopolaren Maschine kann die Spannung erhöht werden, indem die Trommel segmentiert und die Segmente in Serie geschaltet werden, oder indem mehrere Trommeln in Serie geschaltet werden. Der Ausdruck "homopolare Maschine" soll alle diese verschiedenen Konfigurationen mit umfassen.

Die vorliegende'Erfindung betrifft die Übertragung von Strom bei sich drehenden dynamoelektrischen Maschinen und umfaßt die Verwendung einer Vielfachelementbürste, bestehend aus einer großen Anzahl von Metallfasern, die mit einer Metall-Schmiermittel-Beschichtung mittels Elektrobeschichtungsverfahren beschichtet sind. Auf die Bürsten 13 wird ein Druck oder eine

030063/0675

Last ausgeübt, so daß sie mit der Rotorzwischenfläche 18 auf der Oberfläche des Schleifrings in elektrischen Kontakt kommen. Die Bürsten stellen einen geeigneten mechanischen und elektrischen Kontakt mit dem elektrischen Schaltkreis durch angebrachte Leitungen 14 her. Der Trommelrotor 12, dargestellt in Fig. 1, kann, wenn er aus Stahl hergestellt ist, einen Rand 19 aus Aluminium, Kupfer oder anderem elektrisch hoch leitfähigem Material besitzen, welcher Rand 19 an die Oberfläche der Außenseite angebracht ist. Ein Kühlgas kann ununterbrochen durch die Maschine hindurch-geführt werden, wie beispielsweise durch Zufuhr bei den Einlassen 20 und Abfuhr bei den Auslässen 21.

Die Bürste besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von Elementen, im allgemeinen 5 bis 100.000. Zwar sind einzelne Bürsten 13 dargestellt, jedoch könnten die Bürsten auch von kreisförmiger Konfiguration um die Peripherie des Rotors sein und könnten aus hunderten bis tausenden von Elementen bestehen. Die Bürstenfasern können lose zusammengehalten werden, oder eng zusammengepreßt sein, um eine Art von unterteilter, gepackter Bürste aus getrennten, individuell plattierten Fasern zu bilden. Geeignete Fasern werden aus Metallen wie Silber, Rhodium, Gold, Kobalt, Aluminium, Molybdän, Kupfer und deren Legierungen ausgewählt. Kupfer wird vorgezogen. Die Fasern besitzen, wenn sie kreisförmig sind, vorzugsweise eine Dicke oder einen Durchmesser von 10x10 m bis 1.000 χ 10~ m. Die Fasern in der Bürste sind auf eine freie Länge geschnitten, d. h. eine Länge außerhalb des Halters, die vorzugsweise von 2 bis 25 mm reicht.

Faserdurchmesser von weniger als 10 χ 10 m liefern eine zerbrechliche Bürste, wenn die Fasern mit festem Schmiermittel beschichtet werden, und zwar aufgrund des Einschlusses von verhältnismäßig großen Teilchen, und erfordern eine sehr kurze Länge oder eine verringerte Last, was wiederum zu schlechtem Kontakt zwischen Bürste und Schleifring führen kann. Faserdurchmesser von mehr als 1.000 χ 10 m liefern eine steife Bürste mit zuviel Metall-Metallkontakt und würden eine erhöhte Last für guten Kontakt zwischen Bürste und Schleifring erfordern.

030063/0675

Der Schleifring könnte aus Materialien ähnlich zu denen hergestellt sein, die für die Bürsten benutzt werden, vorzugsweise besteht er aus Kupfer, Kupferlegierungen oder aus mit Silber plattiertem Kupfer.

Die Unterteilung der Bürste in viele metallische Elemente ermöglicht eine entsprechende Dispersion der mechanischen Kraft über die gleitende Zwischenfläche. Vorzugsweise ist jede einzelne Faser frei sich zu bewegen, um gleichförmige Verteilung der Last sicherzustellen und den Fasern die Möglichkeit zu geben, Irregularitäten der Schleifringoberfläche zu folgen. Jedes Element kann dann als ein getrennter Kontakt mit stark verringerter Andruckkraft angesehen werden. Dies in Kombination mit der elektro-co-abgelagerten Metall-Schmiermittel-Beschichtung, die im folgenden noch beschrieben wird, ermöglicht eine ungewöhnlich hohe Stromübertragungskapazität durch die multiblen Kontakte, verhindert aber im wesentlichen übermäßige Abnutzung oder lokales Verschweißen. Wichtig ist, daß die richtige Auswahl des Schmiermittels in der Beschichtung auch der sich ergebenden Bürste ermöglicht, in verschiedenen Umgebungen angemessen zu arbeiten, d. h. in trockner Luft, in feuchter Luft, in Kohlenwasserstoffdampf oder im Vakuum.

Eine aus Metall und fester Schmiermittelzusammensetzung bestehende Beschichtung auf den Bürstenfasern wurde dadurch erhalten, daß Elektro-co-Ablagerungsverfahren angewendet wurden. Elektroabgelagerte zusammengesetzte BeSchichtungen bestehen aus einem Metall und einem gleichzeitig damit abgelagerten dispergierten partikulierten Metall oder Nichtmetall. Sie werden durch Suspendieren des ausgewählten partikulierten Material! in einem herkömmlichen Plattierungselektrolyten erzeugt. Die festen Teilchen werden während der Plattierungsperiode durch mechanische Bewegung in Suspension gehalten.

Das verwendete Verfahren zur gleichzeitigen Ablagerung von feinen, unlöslichen Teilchen zusammen mit Metall soll dazu dienen, die Teilchen im Elektrolyten in Suspension zu halten, wäh-

030063/0675

rend das Metall bei optimaler Bedingung beschichtet wird. Die Einschließung von festen Teilchen in den wachsenden Metallfilm wird der Elektrophorese zugeschrieben und auch der Adsorption von elektrischen Ladungen oder Ionen auf der Oberfläche der Teilchen. Somit wird der Gehalt an eingeschlossenen Teilchen in der zusammengesetzten Beschichtung beeinflußt durch das Ausmaß der Bewegung und die für die Bildung der zusammengesetzten Beschichtung benutzte Stromdichte wie auch von der Acidität (pH) des Plattierungsmediums. Das Hinzusetzen von bestimmten monovalenten Schwermetallionen (Tl , Rb oder Cs ), aliphatischen Aminen (Polyaminen und Polyaminen) und anderen oberflächenaktiven Verbindungen in dem Elektrolyten kann die elektrische Ladung auf der Teilchenoberfläche modifizieren und dadurch die gleichzeitige Ablagerung größer und gleichförmiger machen. Andere Faktoren, die die gleichförmige Ablagerung beeinflussen, sind die Ablagerungstemperatur, die Zusammensetzung des Elektrolyten und die Größe wie auch die Konzentration der unlöslichen Teilchen im Elektrolyten. Diese Art von Elektro-co-Ablagerung ist bekannt. Die Verwendung von aliphatischen Aminen in sauren Kupfersulfatplattierbädern zum Zwecke der Co-Ablagerung wird in Einzelheiten in der US-PS 36 66 636 beschrieben.

Die Vielzahl von einzelnen Metallfasern der erfindungsgemäß benutzten Bürsten wird mit einer Metall-Schmiermittel-Beschichtung durch Elektro-co-Ablagerung plattiert. Das Metall wird aus einer Gruppe ausgewählt, die Silber, Nickel, Kupfer und deren Mischungen umfaßt, wobei Silber vorgezogen wird. Das Metall wird etwa 80 Vol% bis etwa 98 Vol% der Beschichtung ausmachen, vorzugsweise 85 bis 95 Vol%. Das Schmiermittel liegt in fein zerteilter diskreter Teilchenform vor und wird aus wohlbekannten Schmiermitteln ausgewählt, wie beispielsweise Graphit, MoS„, MoSe₂, WS₂, WSe₂, NbS₂, NbSe₂, TaS₂, TaSe₃, BN und deren Mischungen. Das Schmiermittel wird einen durchschnittlichen Teilchengrößenbereich von 0,5 χ 10 bis 75 χ 10 m aufweisen,

-6 -6

vorzugsweise 1,5 χ 10 bis 20 χ 10 m, und 2 Vol% bis 20 Vol%

der Beschichtung bilden.

030063/0675

Die Benutzung von weniger als 2 Vol% Schmiermittelteilchen führt zu schlechter Bürstenabriebwiderstandsfähigkeit und zu einem Hitzeaufbau an der Kontaktgrenzfläche zwischen Bürste und Schleifring. Bei Verwendung von mehr als 20 Vol% Schmiermittelteilchen ergibt sich eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit, was zu einem höheren Spannungsabfall führt. Benutzt man Schmiermittelteilchen mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 χ 10 m, trägt dies im allgemeinen zu Agglomerationsproblemen während der Elektro-co-Ablagerung bei. Bei Benutzung von Schmiermittelteilchen mit Durchmessern von über 75 χ 10 m ergibt sich eine übermäßig rauhe Oberfläche, wo die Teilchen nicht ausreichend an die Metallkomponente gebunden sind, so daß sie leicht von den Elementen während des Bürsten-Schleifring-Kontaktes abgeschert werden können und tiefe Spalten in der Beschichtung zurücklassen.

Die Beschichtung selbst besitzt einen Dickenbereich von 5 χ bis 1 .000 χ 10~ m., in der Form einer rauhen porösen Oberflächenmasse. Eine Querschnittsansieht des beschichteten Drahtes ist in Fig. 2 dargestellt. Das Bürstenelement oder die Faser 22, wie beispielsweise ein Kupferdraht, wird durch eine Beschichtung 23 umrundet, die im wesentlichen aus einer abgelagerten Metallmatrix 24, wie Kupfer oder Silber, besteht, die die Schmiermittelteilchen, wie MoS2 umkapselt und umschließt, und sie fest an Ort und Stelle hält. Das Metall bildet eine ununterbrochene Phase, während die eingeschlossenen Schmiermittelteilchen innerhalb der Metallmatrix gleichförmig verteilt sind. Diese Beschichtung liefert außerordentliche Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit und Metallkontakt mit dem Schleifring, während ausgezeichnete Schmierfähigkeit an der Oberfläche des Schleifringes geliefert wird. Eine Beschichtungsdicke von weniger als 5 χ 10 neigt dazu, nicht ausreichende Konzentrationen von Schmiermittelteilchen zu besitzen, welche nicht vollständig von der Metallkomponente eingeschlossen sind. Beschichtungsdicken von mehr als 1.000 χ 10 m neigen dazu, die Bürstenelemente zu massieren und eine feste Bürste zu liefern, statt einer Bürste, die eine Vielzahl von Elementen besitzt.

030063/0675

Zusätzlich kann ein abschließender Film aus Silber (in Fig. nicht dargestellt) über der Oberfläche der beschichtete Elemente plattiert werden, wenn Kupfer als Metallbeschichtung benutzt wird, um so eine Kupferoxidation zu verhindern. Der beschichtete Draht wird dann bei einer wirksamen Temperatur, gewöhnlich 400 bis 600 C für 1 bis 4 Stunden angelassen, im allgemeinen in einer EL·- oder N₂~^Gasströmung, wie in der Technik bekannt, und dann langsam auf 25 C abgekühlt. Dieses Anlassen wird benutzt, um Sprödigkeit von der Beschichtung zu entfernen, die Adhäsion der Beschichtung an dem Draht zu verbessern und die Bindung des Schmiermittels an der Metallmatrix zu erhöhen. Die Fasern werden dann auf eine geeignete Länge geschnitten und in einem Halter fixiert.

Obwohl die Erfindung im Vorstehenden in Verbindung mit einer homopolaren elektrischen Maschine beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, daß sie auch in vorteilhafter Weise bei jeder anderen Art von rotierender oder linearer elektrischer Maschine oder Einrichtung benutzt werden kann, wie beispielsweise bei großen Motoren oder Generatoren, die einen elektrisch leitenden Weg zwischen zwei Teilen erfordern, bei denen das eine Teil oder beide Teile sich relativ zueinander bewegen. Somit kann die Bürste an entweder ein stationäres Glied oder an ein bewegliches Glied angebracht sein. Die Erfindung sei nun anhand der folgenden Beispiele noch näher erläutert:

Beispiel 1

Eine einzige Bündelbürste wurde aus Kupferelementen hergestellt, die mit Silber-MoS₂ elektro-co-beschichtet waren. Das bei der Elektro-co-Ablagerung verwendete Laborgerät ist in Fig. 3 dargestellt. Der Elektrolysator bestand aus einem Glasbehälter, zwei flachen Süberanodenplatten 30, die in den Behälter gehängt waren, und einer kupferdrahtgewiekelten Kathode 31, die zwischen den Anoden eingehängt war. Das Kathodensubstrat 31 war ein hohler Glasrahmen mit einem Glashandgriff, alles aus einem Pyrex-Glasstab hergestellt. Die Kupferdrähte 32, die elektroplattiert

030063/0675

werden sollten, waren auf dem Glasrahmen so gewickelt, daß die Drähte ihre Oberflächen während des Plattierens nicht gegeneinander blockierten. Die Elektroden wurden mit einer Gleichstromleistungsquelle verbunden. Ein Mischen des Elektrolyten wurde durch eine externe Umlaufpumpe 33 durchgeführt. Ein innerer Kunststoffpropeller 34 am Boden des Elektrolysators wurde eben-

2
falls bei Stromdichten über 1 A/dm verwendet. Anodenstützen sind bei 35 dargestellt, Glasröhren bei 36 und Gummiröhren bei

Mit hoher Geschwindigkeit, 1.800 U/min, wurde ein Waring-Mischer benutzt, um den Elektrolyten mit dem festen Schmiermittelpulver vorzumischen. Ein Spritzer von Äthanol wurde gelegentlich auf die Oberseite des gemischten Elektrolyten gegeben, um während des Mischens gebildeten Schaum zu brechen.

Vor dem Plattieren wurde die Kupferdrahtkathode mit Aceton entfettet, mit Wasser gespült und dann mit heißer Schwefelsäurelösung (6N) geätzt, um oberflächliche Oxide zu entfernen. Die

Stromdichten für die Co-Ablagerung betrugen 0,08 A/dm im Silberelektrolyten. Die Plattierungsperiode betrug 20 Stunden. Dar Kupferdraht besaß einen Durchmesser von 100 χ 10 m.

Die Silberelektrolytlösung 3 8 bestand aus 40 g/l (des Elektrolyten) frisch niedergeschlagener AgCl; 200 g/l von K₄Fe(CN)₆* 3H₂O; 30 g/l von K₂CO₃; und 1,5 g/l von KCN, um eine Silberelektrolytpia ttierlösung zu liefern. Zu diesem wurden 0,2 g/l Tl₃SO hinzugefügt, um eine gleichförmige Co-Ablagerung zu unterstützen. Schließlich wurden 50 g/l MoS₉ technischer Qualität mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von etwa 4 χ 10 m zu der Elektrolytplattxerungslösung hinzugefügt.

Nachdem die 20stündige Elektro-co-Ablagerung abgeschlossen war, wurde die Kathode von dem Silber-MoS~-Plattierungsband entfernt und der Kupferdraht 32 von dem Glasralimen 31 abgewickelt. I>er Kupferdraht, der eine Beschichtung von 50 χ 10 in aufwier., wurde in einem Wasserstoffstrom bei 500° C etwa 1 Stunde laiuj angelassen und dann in 150 Segmente von geeigneter Länge zer-

030063/0675

BAD ORIGINAL

schnitten, wobei jedes Segment etwa 2,5 cm lang war. Vier dieser Ablagerungszyklen ergaben 600 Ag-MoS--beschichtete Fasersegmente, die in ein Stück Kupferrohr mit einem inneren Durchmesser von 9 mm eingeschoben wurden. Das Kupferrohrende wurde dann dichtgedrückt, um die beschichteten Kupferfaserelemente an Ort und Stelle zu fixieren und zu halten und eine Bürste mit 600 Elementen zu bilden.

Die Beschichtung auf jedem Element bestand aus 60 Gew% bis 65 Gew% beschichtetem Draht. Das MoS„ bildete etwa 15 Vol% der Silber-MoS₂-Beschichtung. Querschnitte der beschichteten Kupferdrahtelemente wurden unter einem 5Ofach vergrößernden Mikroskop untersucht. Der Querschnitt erinnerte an den, der in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellt ist, mit einer ununterbrochenen Silbermatrix, die die gleichförmig verteilten, irregulär geformten Schinierniittelteilchen umschloß·. Das Ende eines jeden Elementes besaß einen abgescherten Kupferkern, umgeben durch die leitende, schmierende Beschichtung.

Die Bürste wurde in einem einfachen, durch Schwerkraft belasteten Stromkollektorsystem untersucht, ähnlich zu dem, das in Fig. 4 dargestellt ist. Das System war in einer abgedichteten Kammer eingeschlossen, um die Atmosphäre steuern zu können, die einen ununterbrochenen Fluß von trockener CO- darstellte. Das Bürstenende erstreckte sich ungefähr 24 mm vom Halter.

Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, war ein Kupferdrahtkabel 40 an der Bürste angebracht und in einem Halter 41 eingepaßt, angebracht an einem Belastungsarm 42. Das ausgebreitete Bürstenende erstreckte sich von dem Vorderende des Halters. Eine Fixierschraube 44 blockierte die Bürste in der Teststellung, ermöglichte aber eine Erneuerung der Bürste durch Vorschieben des Kabels 40, was auch als Stromnebenschluß benutzt wurde. Der Nebenschluß wurde so angeordnet, daß seine Effekte auf die Bürstenkontaktkraft möglichst klein wurde, welche Kraft gemessen wurde, nachdem die elektrischen Verbindungen vervollständigt waren. Die abgedichtete Kammer ist nicht dargestellt.

030063/0675

Die Bürste 4 3 wurde in einem Winkel von etwa 45 relativ zu einer Schleifringoberfläche 45 eines Schleifrings mit 82,6 min Durchmesser angeordnet. Die benutzten Schleifringe waren aus Silber. Die Schleifringgeschwindigkeit wurde auf 3.000 Fuß/min (914 m/min) gehalten. Der Kontaktdruck der Bürste auf den Schleifring war derartig, daß sich Reibverluste von etwa 5 W ergaben, wie durch die zusätzlichen Leistungsverluste des Motors, der den Schleifring auf dem Teststand antrieb, die sich aufgrund des aufgebrachten Bürstendruckes ergaben, ermittelt werden konnte. Die Bürste war positiv bezüglich des Schleifringes. Die Stromdichten wurden berechnet aufgrund der gesamten Querschnittsflache einer jeden Faser. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 unten dargestellt, jedes für 6stündige Laufperiode:

Tabelle	1	Gleit	MoS₂	Beschich-	MoS-Teil-	gesamter
Strom	geschwin	inner	tungs-	chengröße	Leistung
dichte	digkeit	halb	dicke	(10~⁶ m)	Verlust
in -	in	der Be	(10"^b m)		(W/A)
A/Zoll	Fuß/min	schich
		tung (Vol%)
	3,000	15	50	4	0,18
2,000	3,000	15	50	4	0,22
2,840

Diese von einer simulierten Hochstromdrehmaschinenumgebung stammenden Daten zeigen sehr niedrige Gesamtleistungsverluste (mechanische und elektrische Verluste). Der silberplattierte Schleifring wurde nach 6 Stunden untersucht und zeigte im wesentlichen keinen Abrieb.

Beispiel 2

Bei diesem Beispiel wurde eine aus 132 Elementen bestehende Kupferbürste untersucht. Jedes Kupferelement besaß einen Durchmesser von 100 χ 10 m. Der Elektrolysator war der gleiche, wie er in Beispiel 1 benutzt wurde, mit der Ausnahme, daß Kupfer-

030063/0675

BAD ORIGINAL

anodenplatten benutzt wurden, die Stromdichte 2,3 A/dm betrug und ein innerer Rührer verwendet wurde. Der Draht wurde vor dem Plattieren behandelt, wie es in Beispiel 1 beschrieben wurde. Es wurde.eine Kupferelektrolytlösung verwendet, die aus 200 g/l (des Elektrolyten) CuSO₄.5H₂O und 50 g/l H₃SO₄ bestand. Zu diesem wurde 0,2 g/l Tl₃SO₄ hinzugefügt. Schließlich .wurden 15 g/l natürliches Graphit mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 2 χ 10 m der Elektrolytplattierlösung hinzugefügt.

Nach einer einstündigen Elektro-co-Ablagerungszeit wurde die Kathode aus dem Kupfergraphitplattierbad entfernt und in ein Silberplattierbad gebracht, das keinerlei Schmiermittel enthielt, um eine Endbeschichtung aus einer dünnen Silberschicht über der Kupfergraphitbeschichtung abzulagern, um so eine Kupferoxidation zu verhindern. Die Kathode wurde von dem Bad entfernt und der Kupferdraht von dem Glasrahmen abgewickelt. Der Kupferdraht, der nunmehr eine 50 χ 10 m dicke Beschichtung aufwies, wurde bei 500 C in einer Wasserstoffströmung etwa 1 Stunde lang angelassen und dann in 132 Segmente zerschnitten, wobei jedes Segment etwa 1 Zoll (25 mm) lang war.

Diese kupfergraphitbeschichteten Fasersegmente wurden in einen aus einem Kupferrohr bestehenden Halter eingeführt, dessen innerer Durchmesser 3 mm betrug. Das Kupferrohrende wurde dann dichtgepreßt, um die Kupferfaserelemente an Ort und Stelle zu halten und eine aus 132 Elementen bestehende Bürste zu bilden.

Die Beschichtung auf jedem Element machte etwa 58 bis 60 Gew% des beschichteten Drahtes aus. Das Graphit stellte etwa 6,3 Vol% der Kupfergraphitbeschichtung dar. Der Querschnitt des beschichteten Kupferdrahtes war ähnlich zu dem, wie er in Beispiel 1 beschrieben wurde. Die Bürste wurde in einem Stromkollektorsystem getestet, der ähnlich zu dem war, der in Beispiel 1 beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß die Schleifringgeschwindigkeit 3.300 Fuß/min (1.000 m/min) betrug und eine Atmosphäre von feuchtem Argon (Taupunkt = 0° C) benutzt wurde. Die Bürste war positiv

03 0 0 63/0675

bezüglich des silberplattierten Schleifringes. Die Stromdichten wurden unter Berücksichtigung der gesamten Querschnittsfläche einer jeden Faser berechnet. Die Bürstenandruckkraft betrug 22 g. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 unten dargestellt, wobei jedes Ergebnis für eine 6stündige Laufperiode gilt:

030063/0675

Tabelle

ο co O O σ> co

-j cn

Stromdichte Gleitgein A/Zoll schwindigkeit in Fuß/min

6,000 8,000

3,300 3,300

Graphit innerhalb der Beschichtung (Vo1%)

6,7 6,7

Schicht- Graphitdicke teilchen-(10~⁶ m) größe

(10~⁶ m)

50
50

Gesamtleistungsverlust (W/A)

0,09 0,09

Spannungsabfall in mV

36,0 46,5

O I

2 Der Gesamtleistungsverlust bei 8.000 A/Zoll betrug nur 0,09 W/A, was zeigt, das selbst bei sehr hohen Stromdichten ein sehr kleiner gesamter Leistungsverlust (mechanischer plus elektrischer) auftrat und daß ausgezeichnete Schmiereigenschaften vorhanden waren.

Bei Benutzung von kolloidalem Graphit als ein Ersatz für das oben verwendete Graphit mit einer Teilchengröße von 2 χ 10 m ergab sich eine Beschichtung, die weniger als 0,5 Vol% Graphit enthielt. Diese Beschichtung ergab keine ausreichende Schmierung.

Die Verwendung von Silber oder von anderen Faserarten, die oben erwähnt wurden, oder die Benutzung von anderen Schmiermitteln wie WS„, WSe„, usw. würde ähnliche ausgezeichnete Ergebnisse liefern.

ES/jη 4

030063/0675

BAD ORIGINAL

Claims

Stromübertragungsbürste zur Herstellung eines Reibkontaktes zu einem beweglichen Glied an einer elektrischen Hochstrommaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürste (13) aus einer Vielzahl von Metallfasern (22) besteht, die jeweils mit einer Metall-Schmiermittel-Beschichtung (23) plattiert ist, wobei das Beschichtungsmaterial aus Silber, Nickel und/oder Kupfer besteht, daß das Metall eine Matrix (24) für gleichförmig verteilte Schmiermittelteilchen (25) bildet, welche Teilchen eine durchschnittliche Teilchen-

— 6 —6

größe von 0,5 χ 10 bis 75 χ 10 m besitzen, daß die Metallfasern (22) und die Beschichtung (23) miteinander angelassen sind und daß die Beschichtung (23) wirksam ist, um einen Schmiereffekt zu liefern und den Abrieb im Gebiet des Bürstenreibkontaktes möglichst Klein zu machen.
2. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbürstenfasern (22) aus Kupfer, Silber, Rhodium, Gold, Kobalt, Aluminium oder Molybdän bestehen, einen Durchmesser von 10 χ 10~ bis 1.000 χ 10 m besitzen und eine Länge von 2 bis 25 mm aufweisen.

0 3 0063/0675
3. Bürste nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schmiermittelteilchen (25) 2 bis 20 Vol% der Metall-Schmiermittel-Beschichtung (23) ausmachen.
4. Bürste nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiermittelteilchen (25) aus Graphit, MoS₂, MoSe₂, WS₂, WSe₂, NbS₂, NbSe₂, TaS₂, TaSe₂ und/oder BN bestehen, und daß die Bürste einen Abschlußfilm aus Silberschicht besitzt.
5. Bürste nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke zwischen 5 χ 10 und 1.000 χ 10~⁶ m liegt und daß die Beschichtung (23) der Metallbürstenfaser bei einer Temperatur zwischen etwa 400 und 600 C angelassen ist.
6. Bürste nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (22) eng zusammengepreßt sind, um eine unterteilte, stark zusammengepackte Bürste (13) zu bilden.
7. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktstrom-Übertragungsbürste, gekennzeichnet durch Beschichten einer Vielzahl von Metallfasern (22) mit einer elektro-co-abgelagerten Beschichtung aus Metall-Schmiermittel, wobei das Beschichtungsmetall aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber, Nickel, Kupfer und Mischungen davon besteht, und Bilden einer Matrix (24) für Schmiermittelteilchen mit einem Teilchendurchmesser von 0,5 χ 10 m bis 75 χ 10 m, Anlassen der beschichteten Metallfasern (22), Zerschneiden der Metallfasern (22) auf geeignete Länge und Fixieren des einen Endes der Vielzahl von abgeschnittenen Metallfasern (22) in einem geeigneten Halter (41).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfasern (22) einen Durchmesser von 10 χ 10 bis 1.000 χ 10 m aufweisen, daß die Schmiermittelteilchen

030063/0675

2 Vol% bis 20 Vol% der Beschichtung (23) ausmachen, daß die Fasern (22) zerschnitten sind, um eine freie' Länge
von 2 bis 25 mm zu bilden, daß die beschichteten Fasern (22) bei einer Temperatur zwischen 400 und 600° C angelassen werden und daß die Fasern (22) eine Endbeschichtung aus abgelagertem Silber besitzen.

Beschreibung:

030063/0675