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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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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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