DD221885A1 - ELECTRICAL SLIDING CONTACT, ESPECIALLY FOR COMMUTATION SYSTEMS - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Gleitkontakt, insbesondere für Kommutierungssysteme kleiner Gleichstrommaschinen. Das Ziel der Erfindung besteht in der Erhöhung der Lebensdauer und der Stabilität der elektrischen Parameter, wobei die Aufgabe stand, den Verschleiß zu reduzieren und den Edelmetallaufwand zu minimieren. Gelöst wird die Aufgabe durch eine zwischen Trägerwerkstoff und der Kontaktschicht angeordnete harte Schicht vorzugsweise aus Nix Py mit einer Rauhigkeit von 0,5 bis 5 æm und einer blumenkohlartigen Oberflächenstruktur. Die Erfindung ist für gleitende Kontakte vor allem auf dem Gebiet des Elektromaschinenbaues anwendbar.The invention relates to an electrical sliding contact, in particular for commutation small DC machines. The object of the invention is to increase the life and stability of the electrical parameters, with the object of reducing wear and minimizing precious metal expenditure. The object is achieved by a hard layer arranged between carrier material and the contact layer, preferably of Nix Py with a roughness of 0.5 to 5 μm and a cauliflower-like surface structure. The invention is applicable to sliding contacts especially in the field of electrical engineering.

Description

Titel der Erfindung ^ Title of the Invention

Elektrischer Gleitkontakt, insbesondere für Kommutierungssysteme . . ⁱ Electrical sliding contact, in particular for commutation systems. , ⁱ

Anwendungsgebiet der Erfindung . Field of application of the invention .

Die Erfindung betrifft einen Gleitkontakt, insbesondere für Kommutierungssysteme kleiner GleichstrommaschinenThe invention relates to a sliding contact, in particular for commutation small DC machines

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

An elektrische Gleitkontakte von Kommutierungssystemen kleiner Gleichstrommaschinen werden in Bezug auf die Lebensdauer und einem konstant kleinen Kontaktwiderstand hohe Anforderungen gestellt· ^j ,High demands are in sliding electrical contacts of Kommutierungssystemen less DC machines in terms of service life and a constant small contact resistance made · ^j,

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 verschleißfeste 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, dem hohen Einsatz von Edelmetallwerkstoffen sowie ein unbefriedigendes Langzeitverhalten des Kontaktübergangswiderstandes ökonomisch und technisch unbefriedigende Lösungen.Known solutions for such Kommutierungssysteme consist of a cooperating with a coal or metal brush commutator whose lamellae are made of sheets or wires. The materials used here are copper and, in the case of high-grade versions, particularly highly wear-resistant noble metal alloys, such as Ag Cu 10, for example. The contact surface is sometimes gold-plated to increase reliability. B. in DE-AS 1 613 169 and DE-OS 2 041 238 described. Such commutation are economically and technically unsatisfactory solutions by the complicated structure of the commutator, the high use of precious metal materials and unsatisfactory long-term behavior of the contact 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 HOl R, 39/06) sind derartige Schichtkommutatoren beschrieben·Especially in order to minimize the cost of materials was therefore proposed to perform commutators as Schichtkommutatoren on a ceramic or plastic body · In the DD-WP 101 246, DD-WP 127 191 (both IPK H 01 R, 39/04) and DD-WP 156 654 (IPK HOl R, 39/06), such layer commutators are described ·

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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_f wodurch die Lebensdauer und die Belastbarkeit der Kontaktschichten begrenzt ist· Diesen Nächteil 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 üualitätsparametern können etwa nur bis in die Größenordnung von 10 /jm hergestellt werden« Die möglichen Verschleißwege liegen damit im Bereich ".einiger/um"und die Lebensdauer ist dementsprechend kurz.Compared to commutators with solid lamellae, the layer commutators provide more cost-effective solutions. The disadvantage of such commutators lies mainly in the low layer thicknesses or metal supports _f, whereby the service life and the load capacity of the contact layers is limited to eliminate this disadvantage by depositing thicker layers. Failure of the technical possibilities to produce thicker layers with the required low porosity »of high hardness and adhesive strength and a flat surface · Layers with the required quality parameters can be produced only up to the order of 10 / jm« The possible wear paths are therefore within the range "Someone / um" and the life is therefore short.

Es wurde versucht, diesem Nachteil durch extrem harte Metallschichten entgegenzuwirken. So ist z, B·, gemäß dem DD-WP 101 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 Bürstenverschleiß, 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·It has been tried to counteract this disadvantage by extremely hard metal layers. Thus, z, B · according to the DD-WP 101, a Nix Py layer having 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, that the electrical properties of Nix Py are relatively poor and thus high contact resistance occur · The long-term behavior of the contact resistance is also adversely affected by the lack of oxidation resistance ·

Mit derartigen Schichten ausgerüstete Kommutierungssysteme sind deshalb für Gleichetrom-Präzisionsmaschinen schlecht geeignet· Gemäß den DE-OS 1763 878 und DE-OS 2124 425 ist es auch bekannt die Elemente des Kommutierungssystems, d, h« den Kommutator oderTherefore, commutation systems equipped with such layers are poorly suited for precision-precision machines. According to DE-OS 1763 878 and DE-OS 2124 425, it is also known the elements of the commutation system, ie, the commutator or

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die Bürste mit einem Weichmetallüberzug» vorzugsweise mit einer 0,3 bis 6 yum 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.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. The disadvantage is that these soft metal layers by oxidation have an insufficient constancy of the contact resistance. If noble metal layers are used as cover layers, which is generally known anyway for high-quality contact systems, the service life essentially depends on their layer thickness and thus on the expense of precious metal.

In dem DD-WP 156 654, IPK H Ol R, 43/06 ist ein Herstellungsverfahren für einen Schichtkommutator beschrieben· Nach diesem Verfahren wird auf einem Keramikgrundkörper chemisch-reduktiv eine Nix Py-Schicht abgeschieden, auf der auf galvanischem Wege eine Edelmetallkontaktschicht aufgetragen wird. Die Nix Py-Schicht dient für die galvanisch abzuschneidende Schicht als elektrisch leitende Haftschicht, ihre Stärke kann deshalb mit 50 nm sehr dünn gehalten'werden.In the DD-WP 156,654, IPK H Ol R, 43/06 a manufacturing method for a layer commutator is described · According to this method, a Nix Py layer is deposited on a ceramic base body chemically-reductive, on which a noble metal contact layer is applied by electroplating , The Nix Py layer serves as the electrically conductive adhesive layer for the layer to be electrodeposited, and its thickness can therefore be kept very thin at 50 nm.

Auch bei solchen Kontaktsystemen wird die Lebensdauer letztlich von dem verfügbaren Verschleißweg der Goldschicht bestimmt,Even with such contact systems, the lifetime is ultimately determined by the available wear path of the gold layer,

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da nach deren Abnutzung das Kontaktsystem nicht mehr die erforderlichen Parameter aufweist.because after their wear the contact system no longer has the required parameters.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Durch die Erfindung soll mit geringem Aufwand erreicht werden, daß derartige elektrische Gleitkontakte bei hoher Stabilität der elektrischen Parameter eine große Lebensdauer aufweisen·With the invention should be achieved with little effort that such electrical sliding contacts with high stability of the electrical parameters have a long life ·

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen hochwertigen elektrischen Gleitkontakt, insbesondere für Kommutierungssysteme kleiner Gleichstrommaschine!!, zu schaffen, der einenThe invention has for its object a high-quality electrical sliding contact, especially for commutation small DC machine to create !!, the one

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geringen Verschleiß, keine oder nur unwesentliche Oxydationserscheinungen aufweist und einen geringen Edelmetallaufwand erfordert·low wear, no or only insignificant Oxydationserscheinungen has and requires little precious metal expenditure ·

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 - 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 between the carrier material and the contact layer, a hard amorphous intermediate layer having a surface roughness of 0.5 to 10, um and cauliflower-like surface structure arranged is ·

Zweckmäßigerweise besteht die Zwischenschicht aus Nix Py. Der Phosphorgehalt der Nix Py-Schicht 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·Conveniently, the intermediate layer consists of Nix Py. The phosphorus content of the Nix Py layer should be between 5 and 10 % . Another variant of the invention provides an intermediate layer of Nix-By. The roughness of the surface structure is preferably 3 μm. The contact layer is made of gold, silver or a silver-palladium alloy for high-quality contacts. · For less demanding tasks, a copper layer is also sufficient · The thickness of the contact layer should be between 0.5 and 10 μm, the layer thickness being at least slightly greater than that Surface roughness of the interlayer surface must be ·

Durch diesen erfindungsgemäß aufgebauten elektrischen Gleitkontakt, der insbesondere für .Kommutierungssysteme kleiner Gleichstrommaschinen mit Metallbürsten geeignet ist, wird eine hohe Lebensdauer und eine hohe Stabilität des Kontaktübergangswiderstandes erreicht· Die mechanischen und elektrischen Belastungen f„ühren bei diesem Aufbau des Gleitkontaktes überraschend nicht zum Heraus reiben des Kontaktmaterials aus der Trägerschicht, Wahrscheinlich ist, daß die Spitzen der rauhen Zwischenschicht die mechanischen Belastungen übernehmen und den weiteren Verschleiß der Kontaktschicht stark verzögern· Das Kontaktmaterial bleibt in den Rauhtiefen der Zwischenschicht haften und sorgt somit für die hervorragenden Parameter des Gleitkontaktes·By this inventively constructed electrical sliding contact, which is particularly suitable for .Kommutierungssysteme small DC machines with metal brushes, a long life and high stability of the contact resistance is achieved · The mechanical and electrical loads in this structure of the sliding contact surprisingly not to rub out of Contact material from the carrier layer, It is likely that the tips of the rough intermediate layer take over the mechanical loads and greatly delay the further wear of the contact layer · The contact material remains in the roughness of the intermediate layer adhere and thus provides the excellent parameters of sliding contact ·

Innerhalb eines Kommutierungssystems kann dieser Gleitkontakt auf dem Kommutator oder auf der Bürste oder auf beiden Elementen angeordnet sein· Die Anwendung ist nicht nur auf Kommutierungssysteme begrenzt, die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung, insbesondere die Minimierung der für hochwertige Gleitkontakte erforderlichen Edelmetallschicht, treten auch an Schleifringen, Steckkontakten und dergleichen ein·Within a commutation system, this sliding contact can be arranged on the commutator or on the brush or on both elements. The application is not limited to commutation systems, the advantages of the solution according to the invention, in particular the minimization of the precious metal layer required for high quality sliding contacts, also occur on slip rings. Plug contacts and the like

3e nach Strombelastung ist der Tragkörper auf dem der Gleitkontakt angeordnet ist, als Isolator oder als Leiter ausgebildet. Bei Schichtkommutatoren oder Schleifringen ist es möglich zur Erhöhung der Strombelastbarkeit auf einem isolierenden Tragkörper unter dem erfindungsgemäßen Gleitkontakt leitende Schichten, z. B. Kupferschichten, anzuordnen·3e after current load is the support body on which the sliding contact is arranged, formed as an insulator or as a conductor. In layer commutators or slip rings, it is possible to increase the current carrying capacity on an insulating support body under the sliding contact according to the invention conductive layers, for. B. copper layers, to arrange ·

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert.The invention will be explained below using an exemplary embodiment.

Auf einem zylindrischen Keramikgrundkörper, der eine nach dem DO-WP 156 654 hergestellte chemisch strukturierte und metallisierte Oberfläche aufweist, ist eine auf galvanischem Weg abgeschiedene Kupferschicht als Leitschicht angeordnet· Die Kupferschicht weist eine Stärke von 10/um auf. Ihre Oberflächenrauhigkeit beträgt ca. .3 /um. Auf der als Leitschicht dienenden Kupferschicht ist durch chemisch-reduktives Abscheiden eine etwa 4 pm starke Nix Py-Schicht als Zwischenschicht angeordnet, die ihrerseits die Kontaktschicht aus Gold trägt. Diese galvanisch erzeugte Schicht weist eine Stärke von 3 yum auf· Die Nix Py-Zwischenschicht weist eine blumenkohlartige Oberfläche mit einer Rauhigkeit von 3 /jm auf. Der Kontaktübergangswiderstand des mit dem erfindungsgemäßen Gleitkontakt ausgerüsteten Kommutators mit einer Ag Pd 30 Bürste, ist kleiner 5 mV und hat ein sehr gutes Langzeitverhalten .On a cylindrical ceramic base body, which has a chemically structured and metallized surface produced according to the DO-WP 156 654, a galvanically deposited copper layer is arranged as a conductive layer · The copper layer has a thickness of 10 μm. Their surface roughness is about .3 / um. On the serving as a conductive layer copper layer is deposited by chemically-reductive depositing an approximately 4 pm thick Nix Py layer as an intermediate layer, which in turn carries the contact layer of gold. This galvanically produced layer has a thickness of 3 μm. The Nix Py intermediate layer has a cauliflower-like surface with a roughness of 3 μm. The contact contact resistance of the commutator equipped with the sliding contact according to the invention with an Ag Pd 30 brush is less than 5 mV and has a very good long-term behavior.

Ausführungsbeispiel 2 ^N Embodiment 2 ^N

Nach einer zweiten Variante ist der erfindungsgemäße Gleitkontakt an einem normalen Kupferkommutator angeordnet·According to a second variant, the sliding contact according to the invention is arranged on a normal copper commutator.

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Auf der geschlitzten und überdrehten Oberfläche ist eine auf chemisch-reduktivem Weg erzeugte Nix Py-Schicht mit einer Dicke von 5/um und einer Rauhigkeit von 4/um angeordnet· Auf dieser Schicht befindet sich eine IO μπ\ dicke Kupferschicht, die auf galvanischem Weg erzeugt wurde·On the slotted and over-twisted surface, a chemically-reductive-deposited Nix-Py layer having a thickness of 5 μm and a roughness of 4 μm is disposed. On this layer there is an electrolytic layer of 10 μm thickness was generated ·

Claims (6)

ErfindunqsanspruchErfindunqsanspruch '' 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 is t · ~1. An electrical sliding contact, in particular for commutation systems of small direct current 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 of a thickness of 1-10 / um and a surface roughness of 0.5- 5 / um and arranged with a cauliflower-like surface structure is t · ~ - t - t 2. Elektrischer Gleitkontakt nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Nix Py besteht.2. Electrical sliding contact according to item 1, characterized in that the intermediate layer consists of Nix Py. 3. Elektrischer Gleitkontakt nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Nix By besteht.3. Electrical sliding contact according to item 1, characterized in that the intermediate layer consists of Nix By. /i/ i 4. Elektrischer Gleitkontakt nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht aus Gold, Silber oder Süber-Palladium^Legierung besteht.4. Electrical sliding contact according to item 1 or 2, characterized in that the contact layer consists of gold, silver or oversize palladium alloy. 5. Elektrischer Gleitkontakt nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht aus Kupfer besteht·5. Electrical sliding contact according to item 1 or 2, characterized in that the contact layer consists of copper · 6. Elektrischer Gleitkontakt nach Punkt 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Kontaktschicht zwischen 0,6 und 10 /Jin liegt, aber mindestens geringfügig größer als die Rauhtiefe der Zwischenschichtoberfläche ist.6. Electrical sliding contact according to item 4 or 5, characterized in that the thickness of the contact layer is between 0.6 and 10 / Jin, but at least slightly greater than the roughness of the interlayer surface.