CH664650A5 - ELECTRICAL SLIDING CONTACT, IN PARTICULAR FOR COMMUTING SYSTEMS. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft einen Gleitkontakt, insbesondere für Kommutierungssysteme kleiner Gleichstrommaschinen. The invention relates to a sliding contact, in particular for commutation systems of small DC machines.

An elektrische Gleitkontakte von Kommutierungssystemen kleiner Gleichstrommaschinen werden in bezug auf die Lebensdauer und einen konstant kleinen Kontaktwiderstand hohe Anforderungen gestellt. High demands are made on electrical sliding contacts of commutation systems of small DC machines with regard to the service life and a constantly low contact resistance.

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. Known solutions for such commutation systems consist of a commutator which interacts with a carbon or metal brush, the lamellae of which are made from sheet metal or wires. The materials used here are copper and, in the case of high-quality designs, particularly wear-resistant precious metal alloys, such as Ag Cu 10, for use. The contact surface is sometimes gold-plated to increase reliability. Corresponding versions are e.g. described in DE-AS 1 613 169 and DE-OS 2 041 238. Such commutation systems are economically and technically unsatisfactory due to the complicated structure of the commutator, the high use of precious metal materials and an unsatisfactory long-term behavior of the contact transition resistance.

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. In order to minimize the cost of materials, it has therefore been proposed to design commutators as layer commutators on a ceramic or plastic base body. Such layer commutators are described in DD-WP 101 246, DD-WP 127 191 (both IPK H 01, R, 39/04) and DD-WP 156 654 (IPK H 01 R, 39/06).

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. Compared to commutators with solid lamellas, the layer commutators are more economical solutions in terms of materials. The disadvantage of such commutators is primarily the small layer thicknesses or metal layers, which limits the service life and the load capacity of the contact layers. Eliminating this disadvantage by depositing thicker layers fails due to the technical possibilities of producing thicker layers with the required low porosity, high hardness and adhesive strength and a flat surface. Layers with the required quality parameters can only be produced up to the order of 10 µm. The possible wear paths are in the range of a few | xm and the service life is accordingly short.

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. Attempts have been made to counteract this disadvantage by means of extremely hard metal layers. For example, according to DD-WP 101 246, a Nix Py layer, which has an extremely high mechanical wear resistance, has become known as a contact layer of a commutator. Such layers have a high hardness and lead to a large brush wear. In addition, the electrical properties of Nix Py are relatively poor and thus high contact resistances occur. The long-term behavior of the contact resistance is also adversely affected by the poor resistance to oxidation.

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. Commutation systems equipped with such layers are therefore poorly suited for precision DC machines. According to DE-OS 1 763 878 and DE-OS 2 124 425 it is also known the elements of the commutation system, i.e. the commutator or the brush with a soft metal coating, preferably with a 0.3 to 6 (in the thick soft metal layer. It is obviously assumed that in addition to a lubricating effect, part of the energy occurring in the switching spark on the contact system is converted into the low-melting metals. It is disadvantageous that these soft metal layers have an insufficient constancy of the contact resistance due to oxidation .. If noble metal layers are used as cover layers, which is generally known for high-quality contact systems, the service life essentially depends on their layer thickness and thus on the expenditure of noble metal.

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. A manufacturing method for a layer commutator is described in DD-WP 156 654, IPK H 01 R, 43/06. According to this process, a Nix Pr layer is chemically and reductively deposited on a ceramic base body, on which a precious metal contact layer is applied by electroplating. The Nix Py layer serves as an electrically conductive adhesive layer for the layer to be electroplated, so its thickness can be kept very thin at 50 nm.

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. In the case of such contact systems, too, the service life is ultimately determined by the available wear path of the gold layer, since after its wear, the contact system no longer has the required parameters.

Durch die Erfindung soll mit geringem Aufwand erreicht werden, dass derartige elektrische Gleitkontakte bei hoher Stabilität der elektrischen Parameter eine grosse Lebensdauer aufweisen. The aim of the invention is to achieve with little effort that such electrical sliding contacts have a long service life with high stability of the electrical parameters.

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. The invention has for its object to provide a high-quality electrical sliding contact, in particular for commutation systems of small DC machines, which has little wear, no or only insignificant oxidation phenomena and requires little precious metal.

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. Starting from an electrical sliding contact, in which a contact layer is arranged on a carrier material, the object of the invention is achieved in that a hard amorphous intermediate layer with a surface roughness of 0.5 to 10 μm and a cauliflower-like surface structure is arranged between the carrier material and the contact layer .

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. The intermediate layer expediently consists of Nix Py. The phosphorus content of the Nix Pr layer should be between 5 and 10%. Another variant of the invention provides an intermediate layer made of Nix By. The roughness of the surface structure is preferably 3 µm. For high-quality contacts, the contact layer consists of gold, silver or a silver-palladium alloy. A copper layer is also sufficient for less demanding tasks. The thickness of the contact layer should be between 0.5 and 10 μm, the layer thickness having to be at least slightly greater than the roughness of the intermediate layer surface.

Durch diesen erfindungsgemäss aufgebauten elektrischen Gleitkontakt, der insbesondere für Kommutierungssysteme klei- Through this electrical sliding contact constructed according to the invention, which is particularly small for commutation systems

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

664 650 664 650

ner Gleichstrommaschinen mit Metallbürsten geeignet ist, wird Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbei- ner DC machines with metal brushes is suitable, the invention is

eine hohe Lebensdauer und eine hohe Stabilität des Kontakt- spiel erläutert. a long service life and high stability of the contact play explained.

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. Contact resistance reached. The mechanical and electrical surfaces on a cylindrical ceramic base body, which have a visible load in this construction of the sliding contact, surprisingly do not have chemically structured tes produced according to DD-WP 156 654 for rubbing out the contact material 5 and metallized surface, is one on galvanic from the Carrier layer. It is likely that the tips of the way deposited copper layer arranged as a conductive layer, intermediate layer rough the mechanical loads. The copper layer has a thickness of 10 | im. The surface roughness and the further wear of the contact layer are roughly 3 µm. On the die-delay as the leading layer. The contact material remains in the surface roughness of the copper layer, is adhered by a chemical-reductive separating intermediate layer and thus ensures the excellent io an approximately 4 | xm thick Nix Pr layer as an intermediate layer parameters of the sliding contact. arranged, which in turn carries the gold contact layer.

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. Within a commutation system, this sliding layer can have a thickness of 3 μm contact on the commutator or on the brush or on both. The Nix Py intermediate layer has a cauliflower-like elements. The application is not just surface with a roughness of 3 Jim on.

auf Kommutierungssysteme begrenzt, die Vorteile der erfin- 15 Der Spannungsabfall am Kontaktübergang des mit dem er- limited to commutation systems, the advantages of the invented 15 The voltage drop at the contact transition of the with the

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) Solution according to the invention, in particular the minimization of the noble metal layer required for the commutator equipped for the sliding contact according to the invention with high-quality sliding contacts, a silver-palladium brush with 30% palladium (Ag PD 30)

treten auch an Schleifringen, Steckkontakten und dergleichen ist kleiner als 5 mV und hat ein sehr gutes Langzeitverhalten, occur also on slip rings, plug contacts and the like is less than 5 mV and has a very good long-term behavior,

ein. Nach einer zweiten Variante ist der erfindungsgemässe Gleit- a. According to a second variant, the sliding

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. Depending on the current load, the support body on which the 20 contact is arranged on a normal copper commutator. Sliding contact is arranged, as an insulator or as a conductor. On the slotted and overturned surface is a forms. In the case of layer commutators or slip rings, it is possible to use a chemical-reductive path, the Nix Py layer, which is arranged on an insulating thickness of 5 μm and a roughness of 4 μm to increase the current carrying capacity, and the support body is located on this layer under the sliding contact according to the invention a 10 µm thick copper conductive layers, e.g. Copper layers to arrange. 25 layer that was generated by galvanic means.

Claims (6)

664 650664 650 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. 1. Electrical sliding contact, in particular for commutation systems of small DC machines in which a contact layer is arranged on a carrier material, characterized in that between the carrier material and the contact layer a hard amorphous intermediate layer with a thickness of 1-10 μm and a surface roughness of 0.5-5 Around and with a cauliflower-like surface structure. 2. Elektrischer Gleitkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Nix Py besteht. 2. Electrical sliding contact according to claim 1, characterized in that the intermediate layer consists of Nix Py. 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Elektrischer Gleitkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Nix By besteht. 3. Electrical sliding contact according to claim 1, characterized in that the intermediate layer consists of Nix By. 4. Elektrischer Gleitkontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht aus Gold, Silber oder Silber-Palladium-Legierung besteht. 4. Electrical sliding contact according to claim 1 or 2, characterized in that the contact layer consists of gold, silver or silver-palladium alloy. 5. Elektrischer Gleitkontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht aus Kupfer besteht. 5. Electrical sliding contact according to claim 1 or 2, characterized in that the contact layer consists of copper. 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. 6. Electrical sliding contact according to claim 4 or 5, characterized in that the thickness of the contact layer is between 0.6 and 10 µm, but is at least slightly greater than the roughness of the intermediate layer surface.