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Graphit-e Spannende Technik aus der PraxisKohlebürsten

KOHLEBÜRSTEN

Kohlebürsten im Marsrover

Keine Luft zum Atmen, extreme Kälte und eine Anreise, die acht Monate dauert: Kein Wunder, dass

noch kein Mensch zum Mars gefl ogen ist. Dass wir trotzdem wissen, wie es dort aussieht, verdanken

wir den Marsrovern, fahrbaren Robotern mit eingebauten Kameras, Mikroskopen und anderen Mess-

geräten. Damit sie im fernen Weltall nicht schlapp machen, stecken in ihren vielen Elektromotoren

speziell entwickelte Kohlebürsten aus besonders stabilem Graphit. Wie hervorragend die Technik

funktioniert, bewies zum Beispiel der Marsrover Spirit. Er landete im Jahr 2004 auf dem fernen Pla-

neten und sollte eigentlich nur 90 Tage über die Marsoberfl äche rollen. Doch seine Mission erfüllte

Spirit mehrere Jahre. Erst im Frühling 2011 gab er seinen Geist auf.

Kohlebürsten – damit die Welt nicht still steht

Henrik Neuweger ist gespannt. Der Forscher hat sich ein neues Rezept ausgedacht und nun werden die Zutaten vermengt: fein vermahlener Graphit, etwas Harz, ziemlich viel Kupferpulver.

„Etwas Ruß und Koks müssen auch noch dazu“, sagt er. Dann wird die Mischung zu einem Stück gepresst und kommt in den

Ofen. Dort wird sie erst bei 1.200 Grad Celsius gebacken, anschließend in einem anderen Ofen bei 3.000 Grad Celsius ge-

glüht. Das sind extrem hohe Temperaturen. Zum Vergleich: Das fl üssige Magma bei einem Vulkanausbruch ist zwischen 700

und 1.200 Grad Celsius heiß. Selbst zum Brennen von Tonwaren braucht man nur 1.200 Grad Celsius. Für die Kohlemischung

wurden daher spezielle Öfen konstruiert. Heraus kommt schließlich ein hartes schwarzes Stück Graphit, das Herzstück einer

Kohlebürste.

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Kohle statt Kabel

Kohlebürsten – das sind stromübertragende Bauteile, die in fast jedem elektrischen Gerät

stecken von der Waschmaschine über den Küchenmixer bis zum Föhn. Ohne sie könnten wir

kein Auto starten, kein Loch mit der Bohrmaschine bohren und sogar Modelleisenbahnen

stünden still.

Egal ob sich die Rührstäbe des Küchenmixers oder der Ventilator der Klimaanlage drehen:

Hinter all diesen Bewegungen steckt ein Elektromotor, in dem ebenfalls ein Teil rotiert.

Dieses Motorteil, eine drahtgewickelte Spule, muss von elektrischem Strom durchflossen

werden, sonst dreht, bohrt oder rührt überhaupt nichts. Doch wie bekommt man den Strom in

ein rotierendes Ding? Ein Kabel lässt sich nicht anschließen, denn es würde sich aufwickeln

und verheddern.

Die Lösung des Problems heißt Gleitkontakt, und der funktioniert so: Die Stromleitung wird

nicht fest mit dem Rotor des Motors verbunden, sondern gleitet auf ihm, ohne sich mitzube-

wegen. Genau so einen Gleitkontakt stellt die Kohlebürste her.

Auf einer Seite der Kohlebürste ragt ein Kabel heraus. Das ist der Anschluss an die Strom-

versorgung. Mit der anderen Seite berührt die Kohlebürste den Motor und überträgt den

Strom. Für einen geschlossenen Stromkreis braucht man mindestens zwei Kohlebürsten.

Viele Maschinen enthalten aber auch mehr als zwei, zum Beispiel wenn hohe Stromstärken

übertragen werden müssen.

Doch woher hat die Kohlebürste ihren Namen? „Früher wurden für die Stromübertragung in

Elektromotoren kleine Pinselbürsten aus Metallfäden verwendet“, erklärt Henrik Neuweger.

„Der Name ist geblieben, obwohl die meisten Bürsten heutzutage aus Graphit bestehen und

gar nicht mehr wie Bürsten aussehen.“

Da Graphit elektrischen Strom gut leitet und zudem hervorragend auf Metall gleitet, funk-

tioniert der Graphit-Metall-Schlei�ontakt ausgezeichnet. „In der Stromübertragung besitzt

Graphit gegenüber Metall viele Vorteile“, führt Neuweger aus. Problematisch bei den Metall-

pinseln ist vor allem, dass sie sich durch die Reibung so stark erhitzen können, dass sie mit

dem Motor verschweißen. Graphit wird zwar auch heiß, schmilzt aber nicht. Für bestimmte

Anwendungen verwendet man aber immer noch Metallbürsten. Sie versorgen zum Beispiel

die Spielzeugautos einer Carrera-Bahn mit Strom. Die elektrische Modelleisenbahn hingegen

bekommt den Strom aus der Schiene über ein kleines Graphitstück.

Kohlebürsten für Windge-

neratoren: Sie greifen den

Strom vom Rotor ab und

übertragen ihn ins Netz.

Die Forscher von Schunk

haben dafür spezielle Gra-

phitmischungen entwickelt,

denn die Kohlebürsten

müssen in großen Höhen

und teils sogar auf dem

Meer funktionieren.

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Tausende verschiedene Sorten

Kohlebürsten gibt es seit über 100 Jahren und mittlerweile

in Tausenden verschiedenen Ausführungen. Mal sind sie

so winzig wie ein Stecknadelkopf und wiegen weniger

als ein Gramm, mal sind sie zwei Kilogramm schwer und

fast so groß wie ein Schuhkarton. Die großen Bürsten

werden vor allem in Industrieanlagen eingesetzt, die kleinen

zum Beispiel in Spielzeugen, Rasierapparaten und vielen

anderen handlichen Elektrogeräten. Die Mini-Kohlebürsten

fi ndet man vor allem auch in Autos. Neben dem Verbren-

nungsmotor stecken in modernen Fahrzeugen rund 100

Elektromotoren, etwa im Anlasser, in Scheibenwischern und

automatischen Fensterhebern, im Schiebedachantrieb, in

Kraftsto� pumpen und Ventilatoren.

„Jeder Motor besitzt extra auf ihn abgestimmte Kohlebürs-

ten“, betont der Physiker Dr. Peter Schmidt. Peter Schmidt

und Henrik Neuweger sind Kollegen. Beide arbeiten bei

dem Unternehmen Schunk in Heuchelheim bei Gießen, das

alle möglichen Sorten an Kohlebürsten herstellt und in die

ganze Welt liefert. „Allein für Waschmaschinen produzieren

wir jährlich 50 bis 60 Millionen Kohlebürsten“, berichtet

Schmidt.

Graphit, das Material aus dem Kohlebürsten bestehen

Eine Bleistiftmine und eine Kohlebürste haben eins gemeinsam: Sie bestehen beide aus Graphit, einem grau-

schwarzen Mineral aus Kohlensto� . Graphit kommt in der Natur vor, wird aber auch künstlich hergestellt. Charak-

teristisch für Graphit ist sein Au� au aus hauchdünnen Kohlensto� -Schichten, die nur locker zusammenhalten und

sich daher leicht abreiben – deswegen schreibt man schon seit fast 500 Jahren mit Graphit. Ein weiteres Merkmal

von Graphit ist seine elektrische Leitfähigkeit. Sie ist zwar geringer als die von Metallen, aber doch ausgeprägter

als bei vielen anderen Materialien.

Wegen der Leitfähigkeit und der guten Gleiteigenschaften ist Graphit ein ideales Material für die Stromüber-

tragung in Gleitkontakten. Naturgraphit ist für einige Anwendungen allerdings zu weich und brüchig für Kohle-

bürsten. Daher verwendet man auch künstlichen Graphit, der in einem aufwändigen Prozess aus Naturgraphit,

Koks oder anderen kohlensto� reichen Materialien hergestellt wird. Bindemittel, Metallpulver und andere Zusätze

verleihen dem Graphit die gewünschten Eigenschaften.

Die Zugabe von Metallen wie Silber oder Kupfer erhöht die Leitfähigkeit und die Festigkeit von Graphit.

Der gewünschte Metallgehalt hängt dabei von der Stärke des Stroms ab, der durch die Kohlebürste fl ießen soll.

Für Stromdichten bis 20 Ampere pro Quadratzentimeter reichen Metallgehalte von 50 bis 75 Prozent aus.

Für extrem hohe Stromdichten gibt es Kohlebürsten mit einem Kupferanteil bis zu 90 Prozent. Sie sehen dann

gar nicht mehr aus wie Kohle, sondern glänzen kupferfarben.

KOHLEBÜRSTEN

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Forschung für Windkraftanlagen

Obwohl es schon so viele verschiedene Kohlebürsten gibt,

tüfteln die Forscher bei Schunk immer noch an weiteren

Typen. Die Arbeit wird ihnen so schnell nicht ausgehen,

denn ständig werden neue Maschinen entwickelt oder

alte verbessert – und mit dieser technischen Entwicklung

müssen die Kohlebürsten Schritt halten. Moderne Wasch-

maschinen zum Beispiel schleudern mit höheren Drehzah-

len als ältere Modelle. Dafür mussten nicht nur leistungs-

stärkere Motoren, sondern eben auch neue Kohlebürsten

entwickelt werden.

Aktuell beschäftigen sich Henrik Neuweger und seine

Kollegen viel mit Kohlebürsten für Windkraftanlagen.

Mit ihren großen Rotoren ernten Windräder die Energie des

Windes und wandeln sie in elektrische Energie um. Ähnlich

dem Fahrraddynamo benötigt ein Windrad zwar keinen

Strom, sondern erzeugt welchen, aber auch hier leisten die

Kohlebürsten wertvolle Dienste: Sie greifen den Strom vom

Rotor ab und übertragen ihn ins Netz. „Für die Windräder

müssen wir Kohlebürsten entwickeln, die in Wüsten und

Gebirgen aufgestellt werden, wo die Luft sehr trocken ist“,

beschreibt Henrik Neuweger seine Aufgabe. Das Problem:

Bei geringer Luftfeuchtigkeit gleiten Kohlebürsten schlecht,

schlimmstenfalls vibrieren oder rattern sie sogar. Dadurch

verschlechtert sich die Stromübertragung.

Um die Gleiteigenschaften zu verbessern, werden die

Graphitstücke zum Beispiel in speziellen Harzen getränkt.

Die Feuchtigkeit aus der Luft bleibt durch diese Imprägnie-

rung besser an dem Graphit haften, sodass die Kohlebürste

auch bei Trockenheit gut gleitet.

Durch das ständige Reiben auf der Metallfläche nutzt

sich die Kohlebürste mit der Zeit ab – wie ein Bleistift, der

beim Schreiben immer kürzer wird. Der Bleistift lässt sich

einfach spitzen. „Kohlebürsten hingegen sollten mög-

lichst lange halten“, betont Henrik Neuweger, „vor allem in

Windkraftanlagen auf dem Meer, denn dort kann nicht jede

Woche ein Techniker vorbeischauen und sie austauschen.“

Für diesen Zweck wurden besonders verschleißfeste

Graphitmischungen entwickelt.

Je nachdem ob Kohlebürsten mehrere Jahre im Dauerbe-

trieb laufen oder nur eine Stunde täglich, ob sie viel oder

wenig Strom übertragen, ob sie in der Hitze Afrikas oder

bei Eiseskälte eingesetzt werden: Die Forscher bei Schunk

finden für jede Anwendung den passenden Graphit.

„Es gibt einige Hundert verschiedene Mischungen“, schätzt

Henrik Neuweger. Ständig kommen neue hinzu und außer-

dem lassen sich die Graphitstücke mit Harzen, Ölen oder

Kunststo�en nachbehandeln. Neulich etwa sollten die For-

scher bei Schunk Kohlebürsten entwickeln, die möglichst

leise auf dem Metallrotor gleiten. Wenn zwei Gegenstände

aufeinander reiben, wie hier die Kohlebürste auf dem

Metallrotor, hört man Reibegeräusche. Das lässt sich nicht

ganz verhindern. Mit einer speziellen Harz-Imprägnierung

der Kohlebürste ist es den Forschern bei Schunk aber

gelungen, diese Reibegeräusche zu dämpfen und so den

Lärmpegel von Elektromotoren zu senken.

In Windkraftanlagen

übertragen Kohlebürsten

den durch die Windenergie

erzeugten Strom ins

Stromnetz.

Gezeigt ist der Schleifring

mit den Halterungen für die

Kohlebürsten, der um dem

Rotor sitzt.

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6

Achtung Bürstenfeuer!

Nicht nur in den Kohlebürsten, auch in ihren Halterungen

steckt viel Forscherarbeit. Die Halterungen justieren die

Bürsten in einer bestimmten Position, damit die Stromüber-

tragung perfekt funktioniert. Da sich die Graphitstücke mit

der Zeit abreiben und kleiner werden, besitzen die Halterun-

gen eingebaute Metallfedern: Schrumpft das Graphitstück,

dehnt sich die Feder und gleicht damit den Verschleiß aus.

So werden die Kohlebürsten immer in derselben Stellung

und mit gleichbleibendem Druck an die Motorteile gepresst.

Der Druck, mit dem das Graphitstück auf den Rotor gepresst

wird, darf dabei weder zu groß noch zu klein sein. Bei einem

zu starken Anpressdruck verschleißt die Kohlebürste zu

schnell, bei zu schwachem Druck verliert sie vielleicht den

Kontakt zum Rotor. „Wenn das passiert, sucht sich der Strom

seinen Weg und springt als Funke über“, erklärt Henrik

Neuweger. „Bürstenfeuer“ nennt er diese Funkenbildung.

KOHLEBÜRSTEN

Sie tritt auch auf, wenn das rotierende Motorteil, auf dem

die Bürste aufsetzt, Dellen oder Höcker hat. Wenn die Bürs-

te darüber springt und der Kontakt zwischen Bürste und

Motor auch nur für kurze Zeit abbricht, bilden sich ebenfalls

Funken.

Bürstenfeuer sind gefürchtet, denn die Funken brennen

Löcher und Riefen in die Motoren und schädigen zudem die

Kohlebürsten. Graphit-Metall-Kontakte neigen zum Glück

weniger zur Funkenbildung als Metall-Metall-Kontakte.

„Graphit erzeugt durch den Abrieb eine hauchdünne

Schmierschicht auf dem Metall“, erklärt Henrik Neuweger.

Diese Schicht, auch Patina genannt, lässt die Kohlebürste

auf dem Metall gleiten und verbessert den Kontakt

zwischen Bürste und Rotor. Das reduziert die Gefahr des

Bürstenfeuers.

Schunk-Mitarbeiter stellen sich vor: Peter Schmidt

und Henrik Neuweger

Henrik Neuweger, geboren 1968, arbeitet seit dem Jahr

2001 bei Schunk in Heuchelheim. Als Produktentwickler

tüftelt er im Labor an neuen Kohlebürsten. Neuweger hat in

Wetzlar Abitur gemacht und an der Justus-Liebig-Universität

in Gießen Mineralogie studiert. Das sind beste Voraus-

setzungen für seine Tätigkeit, denn ein Mineraloge kennt

sich aus mit Mineralen wie Graphit, Diamant und weniger

wertvollen Gesteinen. Er weiß nicht nur, wo man sie fi ndet

und wie man sie untersucht, sondern auch, wie sich ihre Ei-

genschaften künstlich verändern lassen. „Kohlebürsten gibt

es in vielen verschiedenen Formen, ich beschäftige mich vor

allem mit der Zusammensetzung der Graphit-Materialien“,

erklärt Neuweger. Einige Hundert verschiedene Graphit-

mischungen gibt es schon, doch für neue Geräte müssen

ständig neue entwickelt werden – kein Problem für einen

Experten wie Neuweger.

Neuwegers Kollege Peter Schmidt, Jahrgang 1949, hat in

Gießen Abitur gemacht und ebenfalls an der Justus-Liebig-

Universität studiert, allerdings Physik, und sogar eine Dok-

torarbeit geschrieben. Er arbeitet schon seit über 30 Jahren

bei Schunk. Früher hat er das Physiklabor geleitet, heute

kümmert er sich um ganz viele verschiedene Dinge, etwa

um Patente oder den Export von Kohlebürsten. „Unsere Pro-

dukte gehen von Heuchelheim aus in die ganze Welt“, sagt

Schmidt. Da muss man viele Regelungen beachten, sonst

gibt es Probleme bei der Lieferung ins Ausland. Langweilig

wird es dem Physiker in seinem Beruf nie: „Ich sitze nicht

nur im stillen Kämmerlein, sondern schaue in alle Bereiche

des Unternehmens hinein und lerne sämtliche Neuentwick-

lungen kennen.“ Und das sind im Lauf der Jahre eine ganze

Menge.

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Notizen

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Als Herzstück eines Elektromotors sorgen Kohle-

bürsten dafür, dass der elektrische Strom auf den

rotierenden Teil des Motors übertragen wird.

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So funktioniert die Start-Stopp-Automatik beim Auto

Der Verbrennungsmotor eines Autos startet nicht von alleine.

Früher – man sieht das noch in ganz alten Filmen – mussten

die Autofahrer an einer Kurbel drehen, bis der Motor

ansprang. Heute starten Autos über einen Elektromotor, den

sogenannten Anlasser. Ein herkömmlicher Auto-Anlasser

scha� t 45.000 Startzyklen, umgerechnet heißt das: wenn

man das Auto sechsmal am Tag startet, funktioniert der

Anlasser etwa 20 Jahre. So lange müssen die Kohlebürsten,

die den Auto-Anlasser mit Strom versorgen, halten.

Seit einigen Jahren gibt es Autos mit einer eingebauten

Start-Stopp-Automatik, die den Kraftsto� verbrauch senkt.

Stehen diese Fahrzeuge beispielsweise an einer roten

Ampel oder im Stau schaltet sich der Motor automatisch

aus. Will man weiterfahren, springt der Motor automatisch

wieder an. Vor allem im Stadtverkehr geht so ein Auto

ständig aus und an. Der Anlasser wird viel häufi ger benötigt.

Ein Start-Stopp-Anlasser soll 350.000 Startzyklen scha� en,

haben die Autohersteller festgelegt, also fast achtmal mehr

als ein herkömmlicher Anlasser.

Auch die Kohlebürsten müssen daher mehr leisten. Dieses

Problem wurde gelöst, indem ihre Zahl erhöht wurde. In

einem herkömmlichen Anlasser übernehmen vier Kohle-

bürsten die Aufgabe der Stromübertragung, in einem Start-

Stopp-Anlasser sind es sechs oder sogar acht.

Neue Bürsten im Praxistest

Auf den ersten Blick sehen Kohlebürsten zwar wenig

spektakulär aus, aber sie sind High-Tech-Produkte, in die

Forscher wie Henrik Neuweger und Peter Schmidt ihr

ganzes Wissen und viel Entwicklungsarbeit stecken.

Stolz hält Henrik Neuweger die Kohlebürste in der Hand, die

nach seinem neuen Rezept hergestellt wurde. Wird sie wie

gewünscht funktionieren? Ist sie ausreichend verschleiß-

fest? Bildet sie eine schöne Patina? Um das zu untersuchen,

bauen die Forscher die neuen Kohlebürsten jetzt in Test-

maschinen ein. Erst wenn die Kohlebürsten alle Prüfungen

bestanden haben, gehen sie in die Serienproduktion. Und

selbst wenn sie schließlich in echten Geräten oder Anlagen

laufen, hört die Forschung nicht auf.

Henrik Neuweger erzählt von einem Kollegen, einem Tech-

niker, der neulich die Kohlebürsten einer Windkraftanlage in

China prüfen musste. Er kletterte in die kleine Gondel ganz

oben am Rotor. Die Sonne knallte vom Himmel, der Techni-

ker hielt es keine fünf Minuten in der Gondel aus, denn dort

herrschten Temperaturen um die 60 Grad Celsius. Die Kohle-

bürsten hatten sich sogar auf 160 Grad Celsius erhitzt. „Das

ist eigentlich zu heiß“, fi ndet Neuweger. Da hilft nur eins:

eine andere Graphitmischung muss her. Ein neues Rezept

hat der Mineraloge schon im Kopf.

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Bürstenhalter für den Anlasser eines Autos mit

Start-Stopp-Automatik: Diese Halterung trägt

sechs Kohlebürsten.

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