CH664650A5 - Elektrischer gleitkontakt, insbesondere fuer kommutierungssysteme. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Gleitkontakt, insbesondere für Kommutierungssysteme kleiner Gleichstrommaschinen.

An elektrische Gleitkontakte von Kommutierungssystemen kleiner Gleichstrommaschinen werden in bezug auf die Lebensdauer und einen konstant kleinen Kontaktwiderstand hohe Anforderungen gestellt.

Bekannte Lösungen für derartige Kommutierungssysteme bestehen aus einem mit einer Kohle- oder Metallbürste zusammenwirkenden Kommutator, dessen Lamellen aus Blechen oder Drähten hergestellt sind. Als Werkstoffe kommen dabei Kupfer und bei hochwertigen Ausführungen elektrisch besonders ver-schleissfeste Edelmetallegierungen, wie z.B. Ag Cu 10, zum Einsatz. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit ist die Kontaktoberfläche mitunter vergoldet. Dementsprechende Ausführungen sind z.B. in der DE-AS 1 613 169 und der DE-OS 2 041 238 beschrieben. Derartige Kommutierungssysteme sind durch den komplizierten Aufbau des Kommutators, den hohen Einsatz von Edelmetallwerkstoffen sowie ein unbefriedigendes Langzeitverhalten des Kontaktübergangwiderstandes ökonomisch und technisch unbefriedigende Lösungen.

Vor allem um den Werkstoffaufwand zu minimieren wurde daher vorgeschlagen, Kommutatoren als Schichtkommutatoren auf einem Keramik- oder Plastgrundkörper auszuführen. In den DD-WP 101 246, DD-WP 127 191 (beide IPK H 01, R, 39/04) und DD-WP 156 654 (IPK H 01 R, 39/06) sind derartige Schichtkommutatoren beschrieben.

Gegenüber Kommutatoren mit massiven Lamellen stellen die Schichtkommutatoren materialökonomisch günstigere Lösungen dar. Der Nachteil solcher Kommutatoren besteht vor allem in den geringen Schichtdicken bzw. Metallauflagen, wodurch die Lebensdauer und die Belastbarkeit der Kontaktschichten begrenzt ist. Diesen Nachteil durch die Abscheidung dickerer Schichten zu beheben, scheitert an den technischen Möglichkeiten dickere Schichten mit der erforderlichen niedrigen Porosität, der grossen Härte und Haftfestigkeit und einer ebenen Oberfläche herzustellen. Schichten mit den erforderlichen Qualitätsparametern können etwa nur bis in die Grössen-ordnung von 10 um hergestellt werden. Die möglichen Ver-schleisswege liegen damit im Bereich einiger |xm und die Lebensdauer ist dementsprechend kurz.

Es wurde versucht, diesem Nachteil durch extrem harte Metallschichten entgegenzuwirken. So ist z.B., gemäss dem DD-WP 101 246, eine Nix Py-Schicht, die eine äusserst hohe mechanische Verschleissfestigkeit aufweist, als Kontaktschicht eines Kommutators bekannt geworden. Derartige Schichten besitzen eine hohe Härte und führen zu einem grossen Bürstenver-schleiss. Hinzu kommt, dass die elektrischen Eigenschaften von Nix Py relativ schlecht sind und damit hohe Kontaktwiderstände auftreten. Das Langzeitverhalten des Kontaktwiderstandes wird dazu noch durch die mangelhafte Oxydationsbeständigkeit negativ beeinflusst.

Mit derartigen Schichten ausgerüstete Kommutierungssysteme sind deshalb für Gleichstrom-Präzisionsmaschinen schlecht geeignet. Gemäss den DE-OS 1 763 878 und DE-OS 2 124 425 ist es auch bekannt die Elemente des Kommutierungssystems, d.h. den Kommutator oder die Bürste mit einem Weichmetallüberzug, vorzugsweise mit einer 0,3 bis 6 (im starken Weichmetallschicht zu versehen. Hierbei wird offensichtlich davon ausgegangen, dass neben einer Schmierwirkung ein Teil der im Schaltfunken am Kontaktsystem auftretenden Energie in den niedrigschmelzenden Metallen umgesetzt wird. Nachteilig ist, dass diese Weichmetallschichten durch Oxydation eine ungenügende Konstanz des Kontaktwiderstandes aufweisen. Werden Edelmetallschichten als Deckschichten verwendet, was ohnehin für hochwertige Kontaktsysteme allgemein bekannt ist, so ist die Lebensdauer im wesentlichen von deren Schichtdicke und damit vom Aufwand an Edelmetall abhängig.

In dem DD-WP 156 654, IPK H 01 R, 43/06 ist ein Herstellungsverfahren für einen Schichtkommutator beschrieben. Nach diesem Verfahren wird auf einem Keramikgrundkörper che-misch-reduktiv eine Nix PrSchicht abgeschieden, auf der auf galvanischem Wege eine Edelmetallkontaktschicht aufgetragen wird. Die Nix Py-Schicht dient für die galvanisch abzuscheidende Schicht als elektrisch leitende Haftschicht, ihre Stärke kann deshalb mit 50 nm sehr dünn gehalten werden.

Auch bei solchen Kontaktsystemen wird die Lebensdauer letztlich von dem verfügbaren Verschleissweg der Goldschicht bestimmt, da nach deren Abnutzung das Kontaktsystem nicht mehr die erforderlichen Parameter aufweist.

Durch die Erfindung soll mit geringem Aufwand erreicht werden, dass derartige elektrische Gleitkontakte bei hoher Stabilität der elektrischen Parameter eine grosse Lebensdauer aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen hochwertigen elektrischen Gleitkontakt, insbesondere für Kommutierungssysteme kleiner Gleichstrommaschinen, zu schaffen, der einen geringen Verschleiss, keine oder nur unwesentliche Oxydationserscheinungen aufweist und einen geringen Edelmetallaufwand erfordert.

Ausgehend von einem elektrischen Gleitkontakt, bei dem auf einem Trägerwerkstoff eine Kontaktschicht angeordnet ist, wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass zwischen dem Trägerwerkstoff und der Kontaktschicht eine harte amorphe Zwischenschicht mit einer Oberflächenrauhigkeit von 0,5 bis 10 um und blumenkohlartiger Oberflächenstruktur angeordnet ist.

Zweckmässigerweise besteht die Zwischenschicht aus Nix Py. Der Phosphorgehalt der Nix PrSchicht sollte zwischen 5 und 10% liegen. Eine andere Variante der Erfindung sieht eine Zwischenschicht aus Nix By vor. Die Rauhigkeit der Oberflächenstruktur beträgt vorzugsweise 3 um. Die Kontaktschicht besteht für hochwertige Kontakte aus Gold, Silber oder einer Silber-Palladium-Legierung. Für weniger anspruchsvolle Aufgaben genügt auch eine Kupferschicht. Die Stärke der Kontaktschicht sollte zwischen 0,5 und 10 um liegen, wobei die Schichtstärke mindestens geringfügig grösser als die Rauhtiefe der Zwischenschichtoberfläche sein muss.

Durch diesen erfindungsgemäss aufgebauten elektrischen Gleitkontakt, der insbesondere für Kommutierungssysteme klei-

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ner Gleichstrommaschinen mit Metallbürsten geeignet ist, wird Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbei-

eine hohe Lebensdauer und eine hohe Stabilität des Kontakt- spiel erläutert.

Übergangswiderstandes erreicht. Die mechanischen und elektri- Auf einem zylindrischen Keramikgrundkörper, der eine sehen Belastungen führen bei diesem Aufbau des Gleitkontak- nach dem DD-WP 156 654 hergestellte chemisch strukturierte tes überraschend nicht zum Herausreiben des Kontaktmaterials 5 und metallisierte Oberfläche aufweist, ist eine auf galvanischem aus der Trägerschicht. Wahrscheinlich ist, dass die Spitzen der Weg abgeschiedene Kupferschicht als Leitschicht angeordnet, rauhen Zwischenschicht die mechanischen Belastungen über- Die Kupferschicht weist eine Stärke von 10 |im auf. Ihre Obernehmen und den weiteren Verschleiss der Kontaktschicht stark flächenrauhigkeit beträgt ca. 3 um. Auf der als Leitschicht die-verzögern. Das Kontaktmaterial bleibt in den Rauhtiefen der nenden Kupferschicht ist durch chemisch-reduktives Abschei-Zwischenschicht haften und sorgt somit für die hervorragenden io den eine etwa 4 |xm starke Nix PrSchicht als Zwischenschicht Parameter des Gleitkontaktes. angeordnet, die ihrerseits die Kontaktschicht aus Gold trägt.

Innerhalb eines Kommutierungssystems kann dieser Gleit- Diese galvanisch erzeugte Schicht weist eine Stärke von 3 um kontakt auf dem Kommutator oder auf der Bürste oder auf bei- auf. Die Nix Py-Zwischenschicht weist eine blumenkohlartige den Elementen angeordnet sein. Die Anwendung ist nicht nur Oberfläche mit einer Rauhigkeit von 3 Jim auf.

auf Kommutierungssysteme begrenzt, die Vorteile der erfin- 15 Der Spannungsabfall am Kontaktübergang des mit dem er-

dungsgemässen Lösung, insbesondere die Minimierung der für findungsgemässen Gleitkontakt ausgerüsteten Kommutators mit hochwertige Gleitkontakte erforderlichen Edelmetallschicht, einer Silber-Palladium-Bürste mit 30% Palladium (Ag PD 30)

treten auch an Schleifringen, Steckkontakten und dergleichen ist kleiner als 5 mV und hat ein sehr gutes Langzeitverhalten,

ein. Nach einer zweiten Variante ist der erfindungsgemässe Gleit-

Je nach Strombelastung ist der Tragkörper auf dem der 20 kontakt an einem normalen Kupferkommutator angeordnet. Gleitkontakt angeordnet ist, als Isolator oder als Leiter ausge- Auf der geschlitzten und überdrehten Oberfläche ist eine auf bildet. Bei Schichtkommutatoren oder Schleifringen ist es mög- chemisch-reduktivem Weg erzeugte Nix Py-Schicht mit einer lieh zur Erhöhung der Strombelastbarkeit auf einem isolieren- Dicke von 5 um und einer Rauhigkeit von 4 p.m angeordnet, den Tragkörper unter dem erfindungsgemässen Gleitkontakt Auf dieser Schicht befindet sich eine 10 um dicke Kupferleitende Schichten, z.B. Kupferschichten, anzuordnen. 25 schicht, die auf galvanischem Weg erzeugt wurde.

Claims (6)

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1. Elektrischer Gleitkontakt, insbesondere für Kommutierungssysteme kleiner Gleichstrommaschinen bei dem auf einem Trägerwerkstoff eine Kontaktschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trägerwerkstoff und der Kontaktschicht eine harte amorphe Zwischenschicht einer Stärke von 1-10 um und einer Oberflächenrauhigkeit von 0,5 - 5 Um sowie mit einer blumenkohlartigen Oberflächenstruktur angeordnet ist.

2. Elektrischer Gleitkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Nix Py besteht.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Elektrischer Gleitkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Nix By besteht.

4. Elektrischer Gleitkontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht aus Gold, Silber oder Silber-Palladium-Legierung besteht.

5. Elektrischer Gleitkontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht aus Kupfer besteht.

6. Elektrischer Gleitkontakt nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Kontaktschicht zwischen 0,6 und 10 um liegt, aber mindestens geringfügig grösser als die Rauhtiefe der Zwischenschichtoberfläche ist.