MEHRSCHICHT-KOHLEBÜRSTE UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SOLCHEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrschicht-Kohlebürste mit zumindest zwei Funktionsschichten aus elektrisch leitendem Material, wie Kohlenstoffmaterial, und zumindest einer zwischen diesen vorhandenen Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste mit zumindest zwei Funktionsschichten aus elektrisch leitendem Material, wie Kohlenstoffmaterial, und zumindest einer Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material, die zwischen aufeinander folgenden Funktionsschichten verläuft, wobei schichtweise das elektrisch leitende Material oder ein dieses als Füllstoff enthaltendes Material und das elektrisch isolierende Material in einer dem Schichtverlauf der herzustellenden Mehrschicht-Kohlebürste entsprechenden Reihenfolge in eine Form eingebracht, sodann verpresst und anschließend wärmebehandelt werden.
Der DE 199 13 599 A1 ist eine Mehrschicht-Kohlebürste zu entnehmen, die mehrere untereinander elektrisch isolierend verklebte Funktionsschichten aus insbesondere Kohlenstoffmaterial aufweist. Die elektrisch isolierende Verklebung stellt eine Isolierschicht dar.
Es sind auch als Mehrschicht-Kohlebürste bezeichnete Kohlebürsten bekannt, bei denen die Schichten jeweils elektrisch leitend sind, jedoch gegebenenfalls unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Eine entsprechende Kohlebürste ist der DE 91 06 977 U1 zu entnehmen. Die verschiedenen Schichten - auch Zonen genannt -, die unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufweisen, können dadurch ausgebildet werden, dass vor dem Pressen der Kohlebürsten nacheinander zwei Ausgangsschichten mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen in eine Pressform eingebracht und zusammen miteinander verpresst werden. Dabei kann eine Zone einen höheren Kupferanteil als die andere aufweisen.

[0002] Eine als Vielschicht-Schleifkontakt bezeichnete Kohlebürste nach der DE 44 30 745 A1 weist Schichten auf, die jeweils aus leitendem Pulver bestehen. Zur Herstellung des Vielschicht-Schleifkontaktes werden in eine Form gleichzeitig zwei leitende Pulver eingefüllt, um nach einem Kompressionsschritt eine Wärmebehandlung durchzuführen. Neben dem Ausbilden von Schichten durch gleichzeitiges Einbringen von Pulver in eine Form können zusätzlich Schichten dadurch ausgebildet werden, dass elektrisch leitendes Pulver nacheinander der Form zugeführt wird.

[0003] Aus der DE 636 540 C ist ein Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Kohlebürsten bekannt. Fertige Kohleschichten werden glatt geschliffen und zwischen zwei fertige Kohleschichten dickflüssiges Kunstharz mit Isolierstoff angeordnet, um sodann die Kohleschichten in einem geeigneten Presswerkzeug einzuspannen, um eine Trocknung in einem Ofen zu ermöglichen.

[0004] Ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtstoffes aus Kohlenstoff ist der DE 33 07 090 A1 zu entnehmen. Zur Erzielung gewünschter Endkörper werden durch Pressen und Wärmebehandlung zwischen übereinander anordbaren Kohlenstoffschichten, wie Kohlestofffilzschichten, Folien aus einem thermoplastischen Kunststoff angeordnet, um sodann gewünschten Drücken und Temperaturen ausgesetzt zu werden.

[0005] Die DE 199 02 938 A1 bezieht sich auf eine Kohlebürste, die aus Abschnitten unterschiedlicher Stoffzusammensetzungen besteht. Die Kohlebürste wird dabei in einem Pressvorgang hergestellt.

[0006] Aus der EP 1 128 496 A1 ist eine Starter-Kohlebürste bekannt, die aus einer ersten Schicht aus einem Material niedrigen Widerstands und einer Randschicht aus einem Material hohen Widerstandes besteht, die von der Lauffläche der Kohlebürste ausgehend im Abstand zur gegenüberliegenden Rückseitenfläche endet. Die erste und zweite Schicht werden gemeinsam in einer Form durch Einfüllen von Pulver in diese, Pressen und anschließendes Sintern hergestellt.

[0007] Mehrschicht-Kohlebürsten, die aus Kohleriegeln und zwischen diesen verlaufenden Isolierschichten bestehen, werden häufig für kleinere reversierbare Motoren wie z. B. Waschmaschinenmotoren eingesetzt. Die Isolierschicht kann dabei aus einer Folie oder aus isolierendem Klebstoff bzw. synthetischem Harz, einem oder mehreren Pulverharzen bestehen. Durch den höheren Querwiderstand wird der Strom, der zwischen den beiden von der Kohlebürste überdeckten Lamellen eines Kommutators fließt, reduziert und somit die Kommutierung verbessert.

[0008] Die bekannten Mehrschicht-Kohlebürsten zuvor beschriebener Art werden üblicherweise derart hergestellt, dass zunächst temperaturbehandelte Kohlenstoffplatten zueinander ausgerichtet werden, um zwischen diesen sodann eine Folie einzubringen. Anschließend erfolgt eine mechanische Bearbeitung, eine Maßbearbeitung und Einbringen der Seile oder Litzen.

[0009] Aus der DE 10 2005 057 063 A1 ist eine Kohlebürste bekannt, die aus einer Niedrigwiderstandsschicht und einer Hochwiderstandsschicht besteht. Letztere besteht aus Kohlenstoffmaterial, Bindemittel und Bornitrid.

[0010] Gegenstand der DE 195 49 195 A1 ist eine Kohlebürste für Elektromotoren, wobei als Schmiermittel Molybdänsulfid oder Bornitrid beigemischt sein kann. Eine entsprechende Kohlebürste ist auch der EP 1 662 638 A1 zu entnehmen.

[0011] Eine Mehrschicht-Kohlebürste sowie ein Verfahren zu deren Herstellung der eingangs genannten Art ist der EP 1 481 449 B1 zu entnehmen. Zur Herstellung der Kohlebürste werden Pulvermaterialien schichtweise in eine Form eingebracht, verpresst und anschließend wärmebehandelt. Als Pulvermaterialien kommen für die elektrisch leitenden Funktionsschichten Mischungen aus Naturgraphit, synthetischem Graphit, Harz in Frage. Als isolierende Materialien werden Phenolharzpulver vorgeschlagen.

[0012] Beim Befüllen der Form hat sich jedoch gezeigt, dass die zur Herstellung der elektrisch isolierenden Schicht verwendeten Pulvermaterialien nicht im hinreichen Umfang fließfähig sind, um Schichten aufzubauen, die nach dem Verpressen die gewünschte gleichmäßige Dicke über die gesamte Höhe bzw. Länge der Kohlebürste aufweisen.

[0013] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Mehrschicht-Kohlebürste der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die aus elektrisch isolierendem Material bestehende Isolierschicht eine gewünschte gleichmäßige Dicke über die gesamte Höhe bzw. Länge der Kohlebürste aufweist. Auch soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, mit dem die zur Herstellung der Isolierschicht verwendeten Materialien in hinreichendem Umfang fließfähig sind, so dass zur Bildung der elektrisch isolierenden Schichten in die Form, die für die Herstellung der Kohlebürste verwendet wird, ein gut füllendes Material eingebracht werden kann, so dass die Isolierschicht der fertigen Kohlebürste die gewünschte gleichmäßige Dicke aufweist.

[0014] Zur Lösung der Aufgabe wird eine Mehrschicht-Kohlebürste der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die sich im Wesentlichen dadurch auszeichnet, dass das elektrisch isolierende Material aus einer Mischung aus Bindemittel und Bornitrid besteht. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Bindemittel ein Harz, insbesondere Phenolharz, ist. Als Bindemittel kommen aber auch Pech oder eine Mischung aus Harz und Pech in Frage.

[0015] Bei dem Bornitrid handelt es sich insbesondere um Bornitrid in der graphitähnlichen hexagonalen Modifikation, das gute Schmiermitteleigenschaften aufweist.

[0016] Ist hexagonales Bornitrid als besonders bevorzugt anzugeben, so kann ggfs. auch kubisches Bornitrid verwendet werden.

[0017] Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine ein Bindemittel, insbesondere Phenolharz, und Bornitrid bestehende feinkörnige Mischung bzw. ein Granulat, das aus diesen Materialien besteht, hinreichend fließfähig ist, so dass sich eine Form, in der die Kohlebürste hergestellt wird, im gewünschten Umfang und in der Höhe gleichmäßig befüllen lässt.

[0018] In hervorzuhebender Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Isolierschicht aus einem verpressten Granulat aus einer homogenisierten Mischung gebildet ist, die aus Bindemittel, insbesondere Phenolharz, und Bornitrid, insbesondere hexagonalem Bornitrid, besteht oder diese enthält.

[0019] Die Erfindung zeichnet sich auch aus durch eine Mehrschicht-Kohlebürste mit zumindest zwei Funktionsschichten aus elektrisch leitendem Material, wie Kohlenstoffinaterial, und zumindest einer zwischen diesen vorhandenen Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material, wobei die Isolierschicht aus einem verpressten Granulat aus einer homogenisierten Mischung besteht, das aus Bindemittel und Bornitrid besteht.

[0020] Insbesondere ist vorgesehen, dass das Granulat aus Körnern eines mittleren Durchmessers zwischen 1 µm und 300 µm besteht.

[0021] Das Bindemittel sollte feinkörniger als das Bornitrid sein, wobei für das Bindemittel 45 µm ≤ d₉₀ ≤ 50 µm, 15 µm ≤ d₅₀ ≤ 20 µm und 1 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm gelten sollte.

[0022] Hinsichtlich des Bornitrid hat sich überraschenderweise gezeigt, dass zwei bevorzugte Bereiche an Korngrößenverteilungen zu dem gewünschten Ergebnis führen, dass die in die Form einzufüllende Mischung hinreichend fließfähig ist, und zwar einerseits, wenn 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und 30 µm ≤ d₅₀ ≤ 40 µm und andererseits wenn 30 µm ≤ d₁₀ ≤ 70 µm und 170 µm ≤ d₅₀ ≤ 220 µm beträgt.

[0023] Ferner kann das Granulat durch eine Korngrößenverteilung d₉₀ = 250 µm und/oder 50 µm ≤ d₅₀ ≤ 350 µm, insbesondere d₅₀ = 100 µm, ausgezeichnet sein, insbesondere dann, wenn eine homogenisierte Mischung aus hexagonalem Bornitrid und Phenolharz verpresst und sodann grob abgebaut und zerkleinert wird.

[0024] Die Erfindung zeichnet sich daher auch aus durch eine Mehrschicht-Kohlebürste mit zumindest zwei Funktionsschichten aus elektrisch leitendem Material, wie Kohlenstoffmaterial, und zumindest einer zwischen diesen vorhandenen Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material, wobei die Isolierschicht aus einem verpressten Granulat aus einer homogenisierten Mischung besteht, das aus Bindemittel und Bornitrid besteht oder Bindemittel und Bornitrid enthält, wobei das Granulat aus Körnern eines mittleren Durchmessers zwischen 1 µm und 350 µm besteht, wobei insbesondere das Bornitrid in Granulatform vorliegt und Korngrößenwerte einerseits 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und 30 µm ≤ d₅₀ ≤ 40 µm oder andererseits 30 µm ≤ d₁₀ ≤ 70 µm und 170 µm ≤ d₅₀ ≤ 220 µm aufweist sowie die Korngrößenwerte für das Bindemittel 1 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und 15 µm ≤ d₅₀ ≤ 20 µm und 45 µm ≤ d₉₀ ≤ 50 µm betragen. Dabei sollte das Bindemittel in Pulverform vorliegen.

[0025] Pulverform bedeutet, dass das Ausgangsprodukt eine Ausgangskörnung aufweist, ohne das zusätzliche Verfahren zur Korngrößenveränderung zur Anwendung gelangen, wie dies bei der Herstellung von Granulat der Fall ist, wobei bei der Herstellung des Granulats insbesondere abbauende Verfahren zum Einsatz gelangen wie Pressen und Mahlen.

[0026] Die Isolierschicht ist insbesondere derart zusammengesetzt, dass der Anteil von dem Bindemittel, insbesondere dem Phenolharz, sich zu dem Anteil von Bornitrid verhält wie 2 : 1 bis 0,8 : 1 .

[0027] Bevorzugterweise sollte das Bindemittel, das erwähntermaßen ein Harz und/oder Pech ist, einen maximalen Gewichtsanteil von 60 Gew.-% und einen minimalen Gewichtsanteil von 20 Gew.-% des elektrisch isolierenden Materials betragen. Insbesondere sollten die Gewichtsverhältnisse von Bornitrid : Bindemittel 65 Gew.-% : 35 Gew.-% oder 50 Gew.-% : 50 Gew.-% betragen. In beiden Verhältnisbereichen erhält man eine fließfähige Mischung, die den Anforderungen zur Herstellung einer Isolierschicht genügen.

[0028] Ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste, insbesondere zuvor erfolgter Charakterisierung, zeichnet sich dadurch aus, dass als das elektrisch isolierende Material ein feinkörniges Pulver und/oder ein Granulat einer homogenisierten Mischung in die Form eingebracht wird, wobei das feinkörnige Pulver bzw. das Granulat aus einem Bindemittel und Bornitrid besteht oder ein Bindemittel und Bornitrid enthält. Dabei sollte insbesondere das Bindemittel Phenolharz und das Borntrid hexagonales Bornitrid sein.

[0029] Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Mischung Kohlenstoffmaterial nicht enthält. Dabei bleibt das in dem Bindemittel vorhandene Kohlenstoffmaterial unberücksichtigt.

[0030] Hervorzuheben ist des Weiteren, dass zur Herstellung der Mehrschicht-Kohlebürste nach Einbringen von dem jeweils eine Schicht bildenden Material, dieses zunächst vorverdichtet wird, bevor das Material der nachfolgenden Schicht eingebracht wird. Ist das Material der letzten Schicht eingebracht, so erfolgt die Endverdichtung.

[0031] In hervorzuhebender Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Bornitrid, also insbesondere das hexagonale Bornitrid, und Bindemittelpulver, gleichfalls bevorzugt Phenolharzpulver, homogenisiert werden und sodann z.B. durch ein aufbauendes Verfahren, insbesondere Wirbelschichtverfahren, das Granulat hergestellt wird.

[0032] Alternativ kann auch ein abbauendes Verfahren zum Einsatz gelangen. Dabei werden aus der homogenisierten Mischung aus dem insbesondere hexagonalen Bornitridpulver und dem Bindemittel, wie Phenolharz, durch Pressen zunächst ein oder mehrere Körper hergestellt, um sodann insbesondere durch Mahlen des bzw. der Körper das Granulat gewünschter Korngröße herzustellen.

[0033] Das Homogenisieren sollte bei Raumtemperatur durchgeführt werden.

[0034] Auch ist zu erwähnen, dass ggfs. auch kubisches Bornitrid verwendet werden könnte, gleichwenn hexagonales Bornitrid besonders geeignet und hervorzuheben ist, das als Bestandteil für das elektrisch isolierende Material zusammen mit einem Bindemittel wie Harz und/oder Pech zum Einsatz gelangt.

[0035] Die Erfindung zeichnet sich daher auch aus durch ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste mit zumindest zwei Funktionsschichten aus elektrisch leitendem Material, wie Kohlenstoffmaterial, und zumindest einer Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material, die zwischen aufeinander folgenden Funktionsschichten verläuft, wobei schichtweise das elektrisch leitende Material oder ein das elektrische leitende Material als Füllstoff enthaltende Material und das elektrisch isolierende Material in einer dem Schichtverlauf der herzustellenden Mehrschicht-Kohlebürste entsprechenden Reihenfolge in eine Form eingebracht, sodann verpresst und anschließend wärmebehandelt werden, wobei als das elektrisch isolierende Material ein Granulat bestehend aus einem Bindemittel und Bornitrid oder Bindemittel und Bornitrid enthaltend in die Form eingebracht wird, wobei zuvor Bornitrid-Pulver und Bindemittelpulver homogenisiert werden und entweder aus so hergestellter Mischung durch ein aufbauendes Verfahren oder so hergestellte Mischung zu einem oder mehreren Körpern verpresst wird und sodann in einem abbauenden Verfahren aus dem bzw. den Körpern das Granulat hergestellt wird.

[0036] Als Bindemittelpulver wird insbesondere ein Pulver einer Korngrößenverteilung 1 bis 100 µm verwendet. Diese Werte gelten insbesondere für Phenolharzpulver.

[0037] Als Bornitridpulver kann ein solches verwendet werden, das eine Korngrößenverteilung 1 µm ≤ d₅₀ ≤ 10 µm aufweist.

[0038] Insbesondere ist jedoch vorgesehen, dass eine homogenisierte Mischung aus Bornitrid, vorzugsweise vorgranuliertem Bornitrid, insbesondere hexagonales Bornitrid, und Bindemittel, insbesondere Phenolharz, verpresst, anschließend die verpresste Mischung zu einem Granulat aufgemahlen und sodann in die Form eingebracht wird, wobei die Korngröße des aufgemahlenen Granulats insbesondere beträgt d₁₀ = 10 µm und /oder d₅₀ = 180 µm und/oder d₉₀ = 325 µm.

[0039] Hervorzuheben ist auch, dass das Bornitrid grobkörniger als das Bindemittel ist. Dabei sollte das Bindemittel eine Korngröße 1 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und/oder 15 µm ≤ d₅₀ ≤ 20 µm und/oder 45 µm ≤ d₉₀ ≤ 50 µm, insbesondere 1 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und 15 µm ≤ d₅₀ ≤ 20 µm und 45 µm ≤ d₉₀ ≤ 50 µm, aufweisen.

[0040] Insbesondere ist vorgesehen, dass das vorgranulierte Bornitrid eine Korngröße 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und/oder 30 µm ≤ d₅₀ ≤ 40 µm, insbesondere 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und 30 µm ≤ d₅₀ ≤ 40 µm, oder das vorgranulierte Bornitrid eine Korngröße 30 µm ≤ d₁₀ ≤ 70 µm und/oder 170 µm ≤ d₅₀ ≤ 220 µm, insbesondere 30 µm ≤ d₁₀ ≤ 70 µm und 170 µm ≤ d₅₀ ≤ 220 µm aufweist.

[0041] d₁₀, d₅₀ bzw. d₉₀ bedeutet, dass 10 %, 50 % bzw. 90 % der vorhandenen Partikel kleiner als der angegebene Wert für den Durchmesser sind.

[0042] Vorgranuliert bedeutet, dass das Ausgangsprodukt in Granulatform vorliegt. Sodann wird aus dem Vorgranulat und dem Bindemittel bevorzugterweise nach zuvor beschriebenen Verfahrensweisen die Mischung hergestellt, die in die Form zur Herstellung der Kohlebürste gefüllt wird.

[0043] Dabei kann unmittelbar ein Homogenisieren mit dem Bindemittel erfolgen, um die Mischung zu erhalten. Alternativ kann durch ein aufbauendes, insbesondere jedoch durch ein abbauendes Verfahren die Mischung hergestellt werden.

[0044] Insbesondere sollte die Mischung aus Bornitrid und Bindemittel bei Zimmertemperatur homogenisiert werden.

[0045] Insbesondere ist vorgesehen, dass das Bindemittelpulver mit dem Bornitridpulver im Verhältnis von 1 : 2 bis 1 : 0.8 gemischt wird, wobei bevorzugterweise der Anteil von Phenolharzpulver gleich dem des Bornitridpulvers sein kann. Die Anteile beziehen sich dabei jeweils auf das Gewicht der Mischung.

[0046] Bevorzugterweise wird eine Mischung mit 50 Gew.-% Bornitrid und 50 Gew.-% Bindemittel, insbesondere Phenolharz, verwendet. Gute Ergebnisse lassen sich jedoch auch dann erreichen, wenn 35 Gew.-% Bindemittel, wie Phenolharzpulver, und 65 Gew.-% Bornitrid gemischt werden.

[0047] In beiden Verhältnisbereichen ist eine fließfähige Mischung erzielbar, die problemlos in die Form gefüllt werden kann, in der die Kohlebürste hergestellt wird.

[0048] Wird als Bindemittel bevorzugterweise ein Harz verwendet, so besteht auch die Möglichkeit, das Harz ganz oder teilweise durch Pech zu ersetzen.

[0049] Das erfindungsgemäß zum Einsatz gelangende Granulat, das für die Isolierschicht benutzt wird, ist bevorzugterweise durch nachstehende Verfahren herstellbar. So kann nach einer Alternative hexagonales Bornitrid und Phenolharz homogenisiert werden und die so hergestellte Mischung verspresst und anschließend durch Zerkleinern grob abgebaut werden. Dabei werden Granulatkörner eines mittleren Durchmessers zwischen 125 µm und 250 µm erzielt, wobei die Korngrößenverteilung d₉₀ = 250 µm und d₅₀ zwischen 50 µm und 350 µm betragen sollte.

[0050] Alternativ kann bereits vorgranuliertes Bornitrid und Phenolharzpulver gemischt werden. Die diesbezügliche Mischung wird sodann zur Herstellung der Isolierschicht verwendet. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das vorgranulierte Bornitrid grobkörniger als das Phenolharz ist. So kann der mittlere Durchmesser der Bornitridkörner zwischen 30 µm und 50 µm liegen, wobei 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und 30 µm ≤ d₉₀ ≤ 40 µm betragen sollte. Das Phenolharzpulver sollte eine Korngrößenverteilung 1 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und/oder 5 µm ≤ d₅₀ ≤ 20 µm und /oder 45 µm ≤ d₉₀ ≤ 50 µm aufweisen, wobei bevorzugterweise alle drei Wertebereiche erfüllt sein sollten.

[0051] Als elektrisch leitendes Material wird vorzugsweise eine Mischung aus Naturgraphit und synthetischem Graphit benutzt. Bezogen auf dessen Gesamtgewichtsanteil können sodann in etwa 25 Gew.-% Harz, wie Phenolharz, und in etwa 40 Gew.-% Pech hinzugegeben werden, um beispielhaft Zahlenwerte anzugeben, d. h., insgesamt 100 Gewichtseinheiten Naturgraphit und synthetisches Graphit, 25 Gewichtseinheiten Harz und 40 Gewichtseinheiten Pech, letztere bezogen jeweils auf die 100 Gewichtseinheiten.

[0052] Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

[0053] Es zeigen:

Fig. 1

eine Prinzipdarstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste mit drei Funktions schichten,

Fig. 2

einen Teil der Kohlebürste nach Fig. 1,

Fig. 3

eine Prinzipdarstellung einer Form zur Herstellung von Platten und

Fig. 4

Mehrschicht-Platten zur Herstellung von Mehrschicht-Kohlebürsten.

[0054] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste. Unter Mehrschicht-Kohlebürste wird dabei eine solche verstanden, bei der zwischen zwei aus elektrisch leitendem Material bestehenden auch als Kohleriegel bezeichneten Funktionsschichten aus Kohlenstoffmaterial oder dieses enthaltend eine Isolierschicht verläuft. Dabei umfasst die erfindungsgemäße Lehre die Herstellung von Mehrschicht-Kohlebürsten mit zwei oder mehr Funktionsschichten.

[0055] In Fig. 1 ist rein prinzipiell eine Mehrschicht-Kohlebürste 10 mit drei Kohleriegeln 12, 14, 16 dargestellt, die gegeneinander über Isolierschichten 18 elektrisch isoliert sind.

[0056] Die Kohleriegel 12, 14, 16 sowie die Isolierschichten 18 verlaufen senkrecht zur Lauffläche 20 der Kohlebürste. Von der der Lauffläche 20 gegenüberliegenden Fläche 22 geht ein Stampfkontakt 24 mit Seil bzw. Litze 26 aus. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Bauarten von Mehrschicht-Kohlebürsten zuvor beschriebener Art verwiesen.

[0057] Zur Herstellung von Mehrschicht-Kohlebürsten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die die einzelnen Schichten 12, 14, 16, 18 bildenden Materialien nacheinander in der gewünschten Schichtreihenfolge in ein Gesenk 28 einer Pressvorrichtung 30 eingebracht werden. In dem Gesenk 28 ist ein Stempel 32 verstellbar angeordnet, um im gewünschten Umfang das Gesenk 28 mit verschiedenen Materialien zu füllen. Nach dem Einfüllen des jeweiligen eine Schicht bildenden Materials wird mittels eines Schiebers 34 überschüssiges Material entfernt. Sodann erfolgt ein Vorverdichten des eingebrachten Materials - und zwar nach jeweiligem Befüllen des Materials einer jeden Schicht.

[0058] Nachdem in das Gesenk 28 schichtweise die gewünschten Materialien - einerseits aus Kohlenstoff und andererseits aus elektrisch isolierendem Material - eingebracht worden sind und nach jedem Einbringen des Materials für eine Schicht ein Vorverdichten erfolgt ist, wird nach Befüllen des Freiraums des Gesenks 28 mit dem Material für die oberste Schicht eine Endverdichtung durchgeführt. Vorverdichten und Endverdichten erfolgt über einen Stempel 36.

[0059] Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Querschnitt des Gesenks 28 derart ist, dass sich eine Mehrschichtplatte 38 ergibt, die nach Entfernen aus dem Gesenk 28 und Wärmebehandlung in gewohnter Weise in Abschnitte 40, 42, 44 unterteilt wird, deren Abmessungen denen der herzustellenden Mehrschicht-Kohlebürsten entsprechen. Sodann erfolgt eine Maßbearbeitung der Abschnitte 40, 42, 44 und Einsetzen des Seils in gewohnter Weise.

[0060] Die in Fig. 4 dargestellte Platte 38 besteht aus den aus Kohlenstoffmaterial bestehenden Funktionsschichten 46, 48, zwischen denen die aus elektrisch isolierendem Material bestehende Schicht 50 verläuft, die aus einem homogenisierten Granulatgemisch aus Phenolharz und hexagonalem Bornitrid hergestellt worden ist. Dabei sollte der Gewichtsanteil von Phenolharz zwischen 60 % und 30 % und der des Bornitrids zwischen 40 % und 70 % liegen.

[0061] Bei dem Bornitrid handelt es sich insbesondere um hexagonales Bornitrid, gleichwenn auch kubisches Bornitrid verwendet werden könnte.

[0062] Die Dicke der aus dem elektrisch isolierenden Material bestehenden Schicht 50 kann im Bereich zwischen 30 µm und 400 µm, insbesondere im Bereich zwischen 100 µm und 200 µm liegen. Entsprechend sind die mittleren Durchmesser der das Granulat bildenden Körner auszuwählen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Kohlebürste (10) mit zumindest zwei Funktionsschichten (12, 14, 16) aus elektrisch leitendem Material und zumindest einer Isolierschicht (18) aus elektrisch isolierendem Material, die zwischen aufeinander folgenden Funktionsschichten verläuft, wobei schichtweise das elektrisch leitende Material oder ein das elektrisch leitende Material als Füllstoff enthaltendes Material und das elektrisch isolierende Material in einer dem Schichtverlauf der herzustellenden Mehrschicht-Kohlebürste entsprechenden Reihenfolge in eine Form (28) eingebracht, sodann verpresst und anschließend wärmebehandelt werden, wobei als das elektrisch isolierende Material ein feinkörniges Pulver und/oder ein Granulat einer homogenisierten Mischung in die Form (28) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material aus aus einem Bindemittel und Bornitrid besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine homogenisierte Mischung aus vorgranuliertem Bornitrid, insbesondere hexagonalem Bornitrid, und Bindemittel, insbesondere Phenolharz, in die Form (28) eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine homogenisierte Mischung aus Bornitrid, vorzugsweise vorgranuliertem Bornitrid, insbesondere hexagonalem Bornitrid, und Bindemittel, insbesondere Phenolharz, verpresst, anschließend die verpresste Mischung zu einem Granulat aufgemahlen und sodann in die Form (28) eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Korngröße des aufgemahlenen Granulats beträgt d₁₀ = 10 µm und /oder d₅₀ = 180 µm und/oder d₉₀ = 325 µm.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Bornitrid grobkörniger als das Bindemittel ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Bindemittel eine Korngröße 1 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und/oder 15 µm ≤ d₅₀ ≤ 20 µm ist und/oder 45 µm ≤ d₉₀ ≤ 50 µm ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das vorgranulierte Bornitrid eine Korngröße 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und/oder 30 µm ≤ d₅₀ ≤ 40 µm, insbesondere 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm und 30 µm ≤ d₅₀ ≤ 40 µm, oder das vorgranulierte Bornitrid eine Korngröße 30 µm ≤ d₁₀ ≤ 70 µm und/oder 170 µm ≤ d₅₀ ≤ 220 µm, insbesondere 30 µm ≤ d₁₀ ≤ 70 µm und 170 µm ≤ d₅₀ ≤ 220 µm, aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mischung aus Bornitrid und Bindemittel bei Zimmertemperatur homogenisiert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet,
dass aus der homogenisierten Mischung durch ein aufbauendes Verfahren, insbesondere Wirbelschichtverfahren, das in die Form (28) einzubringende Granulat hergestellt wird, oder dass die homogenisierte Mischung zu einem oder mehreren Körpern verpresst und sodann in einem abbauenden Verfahren, insbesondere durch Mahlen das in die Form (28) einzubringende Granulat hergestellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet,
dass das Bindemittel, wie Phenolharz, eine Korngrößenverteilung 1 µm ≤ d₅₀ ≤ 100 µm und/oder das Bornitrid, insbesondere das hexagonale Bornitrid, eine Korngrößenverteilung von 1 µm ≤ d₅₀ ≤ 10 µm und/oder 30 µm ≤ d₉₀ ≤ 40 µm und/oder 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm aufweist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet,
dass in der Mischung der Anteil von dem Bindemittel, insbesondere Phenolharz, sich zu dem Anteil von Bornitrid, insbesondere hexagonalem Bornitrid, sich verhält wie 2:1 bis 0,8:1.

12. Mehrschicht-Kohlebürste (10) mit zumindest zwei Funktionsschichten (12, 14, 16) aus elektrisch leitendem Material und zumindest einer zwischen diesen vorhandenen Isolierschicht (18) aus elektrisch isolierendem Material,
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektrisch isolierende Material aus einer Mischung aus Bindemittel und Bornitrid besteht.

13. Mehrschicht-Kohlebürste nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet ,
dass das Bindemittel ein Kunstharz-Material, wie Phenolharz, und/oder Pech ist und/oder dass das Bornitrid hexagonales Bornitrid ist.

14. Mehrschicht-Kohlebürste nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Mischung der Anteil von dem Bindemittel, insbesondere Phenolharz, sich zu dem Anteil von Bornitrid verhält wie 2 : 1 bis 0,8 : 1 .

15. Mehrschicht-Kohlebürste nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass außer in dem Bindemittel vorhandenem Kohlenstoffmaterial die Isolierschicht weiteres Kohlenstoffmaterial nicht enthält.

Claims

1. Method for the production of a multi-layer carbon brush (10) having at least two functional layers (12, 14, 16) made from electrically conducting material and at least one insulating layer (18) made from electrically insulating material which runs between successive functional layers, wherein the electrically conducting material, or a material containing the electrically conducting material as a filler, and the electrically insulating material are introduced layer-by-layer into a mould (28) in an order corresponding to the layer progression of the multi-layer carbon brush to be produced, then pressed and subsequently heat-treated,
wherein a finely granulated powder and/or a granulate of a homogenised mixture is introduced into the mould (28) as the electrically insulating material,
characterized in that
the electrically insulating material consists of a bonding agent and boron nitride.

2. Method according to Claim 1,
characterized in that
a homogenised mixture of pre-granulated boron nitride, in particular hexagonal boron nitride, and bonding agent, in particular phenolic resin, is introduced into the mould (28).

3. Method according to Claim 1,
characterized in that
a homogenised mixture of boron nitride, preferably pre-granulated boron nitride, in particular hexagonal boron nitride, and bonding agent, in particular phenolic resin, is pressed and the pressed mixture is then ground to form a granulate and then introduced into the mould (28).

4. Method according to Claim 1,
characterized in that
the grain size of the ground granulate is d₁₀ = 10 µm and/or d₅₀ = 180 µm and/or d₉₀ = 325 µm.

5. Method according to one of claims 1 to 4,
characterized in that
the boron nitride has coarser grains than the bonding agent.

6. Method according to one of claims 1 to 5,
characterized in that
the bonding agent has a grain size 1 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm and/or 15 µm ≤ d₅₀ ≤ 20 µm and/or 45 µm ≤ d₉₀ ≤ 50 µm.

7. Method according to Claim 5,
characterized in that
the pre-granulated boron nitride has a grain size 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm and/or 30 µm ≤ d₅₀ ≤ 40 µm, in particular 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm and 30 µm ≤ d₅₀ ≤ 40 µm, or the pre-granulated boron nitride has a grain size 30 µm ≤ d₁₀ ≤ 70 µm and/or 170 µm ≤ d₅₀ ≤ 220 µm, in particular 30 µm ≤ d₁₀ ≤ 70 µm and 170 µm ≤ d₅₀ ≤ 220 µm.

8. Method according to one of claims 1 - 7,
characterized in that
the mixture of boron nitride and bonding agent is homogenised at room temperature.

9. Method according to one of claims 1-8,
characterized in that
the granulate to be introduced into the mould (28) is produced from the homogenised mixture by an agglomeration process, in particular a fluidised bed process, or in that the homogenised mixture is pressed to form one or more bodies and the granulate to be introduced into the mould (28) is then produced in a reduction process, in particular by grinding.

10. Method according to one of claims 1-9,
characterized in that
the bonding agent, such as phenolic resin, has a grain size distribution 1 µm ≤ d₅₀ ≤ 100 µm and/or the boron nitride, in particular the hexagonal boron nitride, has a grain size distribution of 1 µm ≤ d₅₀ ≤ 10 µm and/or 30 µm ≤ d₉₀ ≤ 40 µm and/or 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm.

11. Method according to one of claims 1-10,
characterized in that
in the mixture, the ratio of the proportion of bonding agent, in particular phenolic resin, to the proportion of boron nitride, in particular hexagonal boron nitride, is 2:1 to 0.8:1.

12. Multi-layer carbon brush (10) having at least two functional layers (12, 14, 16) made from electrically conducting material and, between them, at least one insulating layer (18) made from electrically insulating material,
characterized in that
the electrically insulating material consists of a mixture of bonding agent and boron nitride.

13. Multi-layer carbon brush according to Claim 12,
characterized in that
the bonding agent is a synthetic resin material, such as phenolic resin, and/or pitch, and/or the boron nitride is hexagonal boron nitride.

14. Multi-layer carbon brush according to Claim 12 or 13,
characterized in that
in the mixture, the ratio of the proportion of bonding agent, in particular phenolic resin, to the proportion of boron nitride is 2:1 to 0.8:1.

15. Multi-layer carbon brush according to Claim 12,
characterized in that
apart from the carbon material present in the bonding agent, the insulating layer does not contain any further carbon material.

Revendications

1. Procédé de fabrication d'un balai de charbon multicouche (10) comprenant au moins deux couches fonctionnelles (12, 14, 16) constituées d'un matériau électroconducteur et d'au moins une couche isolante (18) constituée d'un matériau électro-isolant qui s'étend entre des couches fonctionnelles successives, procédé dans lequel le matériau électroconducteur ou un matériau contenant le matériau électroconducteur en tant que matière de remplissage et le matériau électro-isolant sont introduits par couches dans un moule (28) selon un ordre correspondant au profil de superposition des couches du balai de charbon multicouche à fabriquer, et sont ensuite pressés puis soumis à un traitement thermique, sachant qu'en tant que matériau électro-isolant est introduit(e) dans le moule (28) une poudre à grain fin et/ou un granulat d'un mélange homogénéisé,
caractérisé en ce
que le matériau électro-isolant est constitué d'un liant et de nitrure de bore.

2. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce
qu'un mélange homogénéisé constitué de nitrure de bore prégranulé, en particulier de nitrure de bore hexagonal, et d'un liant, en particulier de résine phénolique, est introduit dans le moule (28).

3. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce
qu'un mélange homogénéisé constitué de nitrure de bore, de préférence de nitrure de bore prégranulé, en particulier de nitrure de bore hexagonal, et d'un liant, en particulier de résine phénolique, est pressé, qu'ensuite le mélange pressé est moulu pour former un granulat, puis introduit dans le moule (28).

4. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce
que la grosseur de grain du granulat moulu est telle que d₁₀ = 10 µm et/ou d₅₀ = 180 µm et/ou d₉₀ = 325 µm.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce
que le nitrure de bore a des grains plus gros que ceux du liant.

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce
que le liant présente une grosseur de grain telle que 1 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm et/ou 15 µm ≤ d₅₀ ≤ 20 µm et/ou 45 µm ≤ d₉₀ ≤ 50 µm.

7. Procédé selon la revendication 5,
caractérisé en ce
que le nitrure de bore prégranulé présente une grosseur de grain telle que 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm et/ou 30 µm ≤ d₅₀ ≤ 40 µm, en particulier 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm et 30 µm ≤ d₅₀ ≤ 40 µm, ou que le nitrure de bore prégranulé présente une grosseur de grain telle que 30 µm ≤ d₁₀ ≤ 70 µm et/ou 170 µm ≤ d₅₀ ≤ 220 µm, en particulier 30 µm ≤ d₁₀ ≤ 70 µm et 170 µm ≤ d₅₀ ≤ 220 µm.

8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce
que le mélange constitué de nitrure de bore et de liant est homogénéisé à température ambiante.

9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8,
caractérisé en ce
que le granulat devant être introduit dans le moule (28) est fabriqué à partir du mélange homogénéisé par un procédé structurant, en particulier par un procédé à lit fluidisé, ou que le mélange homogénéisé est pressé pour former un ou plusieurs corps et qu'ensuite le granulat devant être introduit dans le moule (28) est fabriqué par un procédé déstructurant, en particulier par broyage.

10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9,
caractérisé en ce
que le liant, tel que de la résine phénolique, présente une composition granulométrique telle que 1 µm ≤ d₅₀ ≤ 100 µm et/ou que le nitrure de bore, en particulier le nitrure de bore hexagonal, présente une composition granulométrique telle que 1 µm ≤ d₅₀ ≤ 10 µm et/ou 30 µm ≤ d₉₀ ≤ 40 µm et/ou 3 µm ≤ d₁₀ ≤ 5 µm.

11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10,
caractérisé en ce
que dans le mélange, la part de liant, en particulier de résine phénolique, par rapport à la part de nitrure de bore, en particulier de nitrure de bore hexagonal, se situe dans une proportion comprise entre 2:1 et 0,8:1.

12. Balai de charbon multicouche (10) comprenant au moins deux couches fonctionnelles (12, 14, 16) constituées d'un matériau électroconducteur et d'au moins une couche isolante (18) constituée d'un matériau électro-isolant et intercalée entre lesdites couches fonctionnelles,
caractérisé en ce
que le matériau électro-isolant est constitué d'un mélange de liant et de nitrure de bore.

13. Balai de charbon multicouche selon la revendication 12,
caractérisé en ce
que le liant est une résine synthétique, telle que de la résine phénolique, et/ou de la poix et/ou que le nitrure de bore est du nitrure de bore hexagonal.

14. Balai de charbon multicouche selon la revendication 12 ou 13,
caractérisé en ce
que dans le mélange, la part du liant, en particulier de résine phénolique, par rapport à la part de nitrure de bore se situe dans une proportion comprise entre 2:1 et 0,8:1.

15. Balai de charbon multicouche selon la revendication 12,
caractérisé en ce
que hormis le matériau en carbone présent dans le liant, la couche isolante ne contient pas d'autre matériau en carbone.

Zeichnung