DE102005047799A1

DE102005047799A1 - Schleifringkörper zur kontinuierlichen Stromübertragung

Info

Publication number: DE102005047799A1
Application number: DE102005047799A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gehlert; Rolf Paulsen
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2007-05-24
Also published as: EP1935064A1; WO2007039302A1; CN101278449A; US20090058219A1; JP2009533544A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schleifringkörper aus einem Trägermaterial und einer Schleifkontaktfläche aus Gold oder einer Goldlegierung, bei dem die Schleifkontaktfläche mit einer stützenden Basis stabilisiert ist, sowie die Verwendung eines Schleifringkörpers für Schleifringübertrager (insbesondere in Windkraftanlagen oder Industrierobotern) zur Übertragung von Steuersignalen, Steuer- und Generatorströmen. Dies ermöglicht eine erhebliche Einsparung an Gold.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schleifringkörper für Schleifringübertrager zur kontinuierlichen Stromübertragung und ein galvanisches Verfahren zu deren Herstellung.
Rotierende Stromübertrager mit Kontaktsystemen aus Edelstahl oder Edelmetallbeschichtungen finden vorwiegend dann Verwendung, wenn hohe Anforderungen an die Güte (Spannungsschwankung während der Rotation) der Stromübertragung, Lebensdauer und Wartungsfreundlichkeit gestellt werden. Es wird zwischen Gleitkontakten mit und ohne Stromunterbrechung unterschieden.

– Gleichförmige Bewegung der Schleifkontakte über eine unterbrochene Schleifbahn (DC-Kleinstmotore)
– Gleiten des Abgreiferkontaktes unter Stromfluss über Kontaktsegmente zu einer neuen Ruhelage (Dreh-, Schiebeschalter)
– Gleichförmige Bewegung der Schleifkontakte über eine geschlossene Schleifbahn (Schleifringübertrager)

Typische Bauformen zur kontinuierlichen Stromübertragung sind zylindrische Schleifringübertrager oder flache Übertragersysteme mit Leiterplatten. Das elektrische Lastspektrum reicht von der Daten- (< 1A) bis zur Energieübertragung (100–500A). Zur Übertragung höherer Ströme (> 2A) werden je nach Anwendung mehrere Edelmetall-Schleifkontakte parallel auf einer Schleifbahn angeordnet. In Leitungstrommeln von Krananlagen, Schweißrobotern oder Generatoranwendungen in Windkraftanlagen können dadurch Lastströme bis zu 500 A übertragen werden.
Eine einfache Gold-Kobalt-Auftragung auf einem vernickelten Träger auf Kupfer-Basis weist Schwankungen im Spannungsabfall auf und stört somit die Übertragungsgüte. Nach ungefähr 3 bis 5 Millionen Umdrehungen steigt der Spannungsabfall sehr erheblich an, so dass der Schleifringübertrager nicht mehr brauchbar ist.
Galvanische Schichtsysteme weisen wenigstens zwei unterschiedliche Schichten auf einem Träger auf. Übliche galvanische Schichtsysteme zur Stromübertragung weisen auf einem Messingträger eine ungefähr 0,5 μm dicke Kupferschicht und eine darauf aufgebrachte 2 bis 5 μm dicke Nickelschicht auf, auf die wiederum eine Gold-Kupfer-Cadmium-Schicht in einer Stärke von 5 bis 15 μm aufgetragen wird. Mit diesem Schichtsystem wird gegenüber einfachen galvanischen Schichten auf einem Träger eine längere Lebensdauer erreicht. Allerdings wird dabei gegenüber einer einfachen Gold-Kobalt-Beschichtung ein deutlich erhöhter Spannungsabfall hingenommen. Hierzu kommt, dass Cadmium aus ökologischen oder gesundheitlichen Gesichtspunkten unerwünscht ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Spannungsabfall geringer und gleichmäßiger zu gestalten und die Lebensdauer des Systems weiter zu erhöhen.

Die Lösung der Aufgabe ist in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird die Schleifkontaktfläche auf einer harten Unterlage dünner als bisher üblich ausgeführt. Dies ermöglicht den Spannungsabfall mit bisher unerreichbarer Güte (Schwankungen im Spannungsabfall) bis 5 000 000 Umdrehungen auf einen konstanten Wert deutlich unter 0,5 V bei 2 A zu senken. Im weiteren Verlauf bis mindestens 10 000 000 Umdrehungen wird noch mindestens eine so gute Güte zu erzielt, wie sie bislang im Stand der Technik für die ersten 1 000 000 Umdrehungen erreichbar war.

Die Härte muss auf jeden Fall höher sein, als die Härte des bislang als Diffusionssperrschicht verwendeten Nickels. Platingruppenmetalle und mit Phosphor dotiertes Nickel weisen eine für die vorliegende Erfindung ausreichende Härte auf. Die erfindungsgemäßen Schleifringübertrager eigenen sich für alle Anwendungen der elektrischen Energie- und Datenübertragung für rotierende Systeme, insbesondere Windkraftanlagen, Roboter, Schweißroboter, Leitungstrommeln und Radaranlagen, für die allesamt ein fest verlegter Stromanschluss unbrauchbar wäre.

Vorzugsweise wird die Schichtdicke der Schleifkontaktfläche aus Gold oder aus einer Hartgold-Legierung maßgeblich reduziert. Erfindungsgemäß wird somit nicht nur eine erhebliche Reduzierung des Goldverbrauchs ermöglicht, sondern auch eine verlängerte Laufzeit. Dabei ermög licht die vorliegende Erfindung eine Reduzierung der je nach Anwendungsfall geeigneten Schichtdicke der Schleifkontaktfläche aus Gold oder Hartgold um mindestens 30 %, insbesondere um mindestens 50 %. Bewährt haben sich Schichtdicken von weniger als 10 μm, insbesondere 1 bis 5 μm, vorzugsweise 2 bis 3 μm, insbesondere bei Anwendung von Edelmetallschleiferdrähten aus Hera 277 (AuPdAg-Legierung).

Über 15 μm wird der Goldauftrag zunehmend unwirtschaftlich.

Der Abrieb bestimmt in Bezug auf die Lebensdauer eine minimale Schichtdicke.

Die Schleifkontaktfläche einer Schleifkontaktbahn ist sinnvollerweise bahnförmig. Die Bahn kann axial auf der Oberfläche einer Scheibe oder radial auf der Außenseite eines Rings angeordnet sein.

Die Schleifkontaktfläche als Bahn auf einer Schleifkontaktscheibe ist sinnvollerweise scheibenförmig. Auf einer Scheibe lassen sich mehrere Bahnen radial nebeneinander anordnen. Für diese Ausführung haben sich Leiterplatten bewährt.

Die Schleifkontaktfläche als Bahn auf einem Schleifkontaktring ist sinnvollerweise ringförmig. Mehrere Ringe können axial auf einer Achse angeordnet werden.

Bewährt haben sich Schleifkontaktflächen aus einer Goldlegierung, die Kobalt oder Nickel aufweist. Geeignete Gold-Kobalt-Legierungen oder Gold-Nickel-Legierungen weisen 50 bis 99,8 Gew.-% Gold, 0,2 bis 20 Gew.-% Kobalt oder Nickel, 0 bis 30 % weitere Legierungsbestandteile auf. Als weitere Legierungsbestandteile eignen sich weitere Edelmetalle, Kupfer und Dotierungen mit Bor, Kohlenstoff, Silizium oder Phosphor.

Die stützende Basis, insbesondere eine auf einem vernickelten Träger angeordnete Zwischenschicht besteht aus einem harten, die Schleifkontaktfläche stützendem Material, insbesondere dem härtesten Material des Verbunds. Bewährt hat sich eine stützende Basis, insbesondere Zwischenschicht aus einem oder mehreren Platingruppenmetallen (PGM) oder Legierungen davon oder gehärtetem Nickel. Als untergeordnete Legierungsbestandteile eignen sich Nickel, Kobalt und Eisen und Dotierungen mit Bor, Kohlenstoff, Silizium oder Phosphor zur Einsparung von PGM. Bewährt hat sich eine galvanische Pd Abscheidung auf einem vernickelten Träger aus einer Kupferlegierung beispielsweise Messing, Bronze oder CuZr. In begrenztem Umfang sind Platingruppenmetalle durch Eisenmetalle ersetzbar. Eine Dotierung mit B, C, Si, oder P erhöht die Härte.

Es hat sich weiterhin bewährt, auf einer Diffusionssperrschicht aus Nickel die härtere Zwischenschicht aufzutragen. Wird die Zwischenschicht aus mit Phosphor gehärtetem Nickel ausgeführt, können die Platingruppenmetalle eingespart werden. In einer bevorzugten Ausführung wird auf einem Kupfer basierenden Träger wie z.B. Messing eine Diffusionssperrschicht aus Nickel angeordnet. Auf der Nickel-Diffusionssperrschicht wird eine Zwischenschicht aus mit Phosphor gehärtetem Nickel aufgetragen. Auf dem gehärteten Nickel wird eine nickelhaltige Hartgoldschicht als Schleifkontaktfläche aufgetragen. Diese drei Schichten zeichnen sich durch ihre Unkompliziertheit aus. Nickeldiffusion spielt keine Rolle, da alle drei Schichten Nickel enthalten. Phosphordiffusion ist nicht bekannt.

Bewährt haben sich Zwischenschichten mit einer Schichtdicke unter 10 μm insbesondere 2 bis 7 μm und speziell 3 bis 4 μm.

Es hat sich bewährt die Zwischenschicht dicker auszuführen als die Schleifkontaktfläche. Vorteilhafterweise wird der elektrisch leitende Verbund aus Schleifkontaktfläche und der sie stützenden Zwischenschicht in einer Dicke zwischen 3 und 10 μm ausgeführt, insbesondere zwischen 4 und 8 μm und besonders vorteilhaft zwischen 5 und 7 μm.

Der elektrisch leitfähige Träger ist vorzugsweise eine Kupferlegierung. Bewährte Kupferlegierungen zur kontinuierlichen Stromübertragung enthalten Zink (Messing), Zinn (Bronze) oder Zirkonium.

Die stützende Basis kann durch eine dünne Schicht beispielsweise eine Diffusionssperrschicht oder einen Haftvermittler von der Schleifkontaktfläche getrennt sein. Es empfiehlt sich eine solche Schicht nicht über 1 μm Dicke auszuführen, da mit zunehmender Schichtdicke der dünnen Schicht die stützende Funktion der stützenden Basis beeinträchtigt wird.

Die Schleifkontaktfläche mit erfindungsgemäß gehärteter Unterlage findet Verwendung als Oberfläche eines Schleifringübertragers (insbesondere in Windkraftanlagen oder Industrierobotern) zur Übertragung von Steuersignalen, Steuer- und Generatorströmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die Figuren verdeutlicht.
1 zeigt den Spannungsabfall in Abhängigkeit der Umdrehungen für die erfindungsgemäße Schleifkontaktfläche;
2 zeigt ein Oszillogramm zu Beginn der erfindungsgemäß rotierenden Stromübertragung;
3 zeigt ein Oszillogramm nach 4 000 000 Umdrehungen;
4 zeigt ein Oszillogramm nach 10 000 000 Umdrehungen;
5a und 5b zeigen Schleifringübertrager;
6 zeigt eine Versuchsanordnung zur Bestimmung des Spannungsabfalls und der Güte;
7 bis 9 zeigen Vergleichsdiagramme zu 1;
10 bis 12 zeigen Vergleichsoszillogramme zu 2;
13 bis 15 zeigen Vergleichsoszillogramme zu 3;
16 bis 18 zeigen Vergleichsoszillogramme zu 4;
Beispiele:
In einer einfachen Ausführung (5b) ist ein Stromübertrager als Ring ausgebildet, wobei auf der Außenfläche des Rings die Schleifkontaktfläche angeordnet ist. Zur Herstellung eines solchen Rings werden auf der Außenseite eines Messing- oder Bronzerings galvanisch 2 μm Nickel abgeschieden und hierauf 5 μm Nickelphosphor. In der Nickel-Phosphor-Schicht ist das Nickel mit Phosphor dotiert und die Schicht dadurch bedeutend härter als die unter der Nickel-Phosphor-Schicht liegende Nickelschicht. Auf die mit Phosphor dotierte Nickelschicht werden galvanisch 4 μm einer Gold-Nickel-Legierung abgeschieden.
Gegenüber einem Schleifringübertrager ohne gehärtete Nickelschicht wird eine bessere Güte der Stromübertragung und eine höhere Verschleißbeständigkeit erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform (5b) wird ein Messingring auf seiner Außenseite galvanisch mit einer 4 μm Nickelschicht versehen. Auf diese Nickelschicht wird galvanisch eine 5 μm starke Palladiumschicht aufgetragen. Auf die Palladiumschicht wird eine galvanische Hartgoldlegierung aus Gold und Kobalt in einer Dicke von 5 μm aufgetragen. Der auf diese Weise er zeugte Stromübertrager wird in einer Anordnung gemäß 7 ausgewertet. Die beiden Schleiferdrähte werden auf unterschiedlichen Spuren gefahren.
Versuchsparameter:

Elektrische Last 24V DC/2A/ohmsch,
Kontaktkraft: 2 bis 3 cN,
Federlänge: 45 mm,
Schleiferdraht: d = 0,5 mm,
Schleifringkörper: d = 60 mm,
Drehzahl: 300/min.,
Befettung keine,
Anzahl der Umdrehungen: 10.000.000

Der Schleifkontakt besteht aus Hera 277 (AuAgPd-Legierung).
Im Oszillogramm nach 1 ist der Spannungsabfall zu Beginn des Versuchs dargestellt. Im Oszillogramm nach 2 ist der Spannungsabfall nach 4 Millionen Umdrehungen dargestellt und im Oszillogramm nach 3 ist der Spannungsabfall nach 10 Millionen Umdrehungen dargestellt. In sämtlichen Oszillogrammen ist das Triggersignal als Rechteckimpuls aufgezeichnet. Die Nulllinie für das Spannungssignal ist immer die obere Linie des zweiten Kästchen von unten.
Der Spannungsabfall in Abhängigkeit der Umdrehungen ist im Diagramm nach 1 dargestellt. Die gestrichelte Linie gibt den oberen Wert aus den Oszillogrammen wieder, die punktierte Linie den unteren und die durchgezogene Linie den Mittelwert.
Zum Vergleich werden nach 5a drei Schleifringkörper mit 10 μm Schleifkontaktflächen aus AuCo, AuCuCd und Pd jeweils auf einem mit Nickel beschichteten Messingträger unter den gleichen Versuchsbedingungen untersucht. Da die Schleifringkörper mit der AuCo- und der Pd-Schleifkontaktfläche keine 10 Millionen Umdrehungen aushielten, wurden Oszillogramme mit entsprechend geringeren Umdrehungen verglichen (15, 16 und 18). Die Oszillogramme der 10, 13 und 16 sind mit einer AuCo-Schleifkontaktfläche erstellt, die Oszillogramme der 11, 14 und 17 mit einer AuCuCd-Schleifkontaktfläche und die Oszillogramme der 12, 15 und 18 mit einer Pd-Schleifkontaktfläche.
Der Spannungsabfall in Abhängigkeit der Umdrehungen ist analog zu 1 in den 7 bis 9 dargestellt.
Nächstes Ausführungsbeispiel:
Es lassen sich mehrere Schleifringkörper axial auf einer Achse stapeln. Damit sind mehrere Strompfade gegeben. Für die Anwendung von hohen Stromstärken werden mehrere Strompfade parallel geschlossen. In einer alternativen Anordnung lassen sich mehrere Schleiferbahnen radial auf einer Scheibe anordnen. In diesem Fall wird die Scheibe auf einer der Scheibenfläche analog beschichtet, wie dies zuvor für die Außenflächen der Ringe beschrieben ist.

Claims

Schleifringkörper aus einem Trägermaterial und einer Schleifkontaktfläche aus Gold oder einer Goldlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifkontaktfläche mit einer stützenden Basis stabilisiert ist.
Schleifringkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stützende Basis härter als Nickel ist.
Schleifringkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stützende Basis eine Zwischenschicht zwischen der Schleifringkontaktfläche und einem Träger ist.
Schleifringkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartgold Nickel oder Kobalt aufweist.
Schleifringkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartgoldlegierung 50 bis 98 Gew.-% Gold, 0,02 bis 20 Gew.-% Kobalt oder Nickel oder Kobalt und Nickel, 0 bis 30 % weitere Legierungsbestandteile aufweist, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe Kupfer, Silber, Palladium, Platin, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Bor, Kohlenstoff, Silizium und Phosphor.
Schleifringkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die stützende Basis, insbesondere die Zwischenschicht auf einem oder mehreren Platingruppenmetallen basiert oder aus Nickelphosphor (mit Phosphor dotiertes Nickel) oder einer Doppelschicht aus Nickel und Nickelphosphor.
Verwendung eines Schleifringkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, für Schleifringübertrager (insbesondere in Windkraftanlagen oder Industrierobotern) zur Übertragung von Steuersignalen, Steuer- und Generatorströmen.
Verwendung eines Schleifringkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Goldauftrags für eine spezielle Anwendung auf höchstens 70 % der bislang niedrigsten Dicke für die entsprechende Anwendung reduziert wird, insbesondere auf 10 bis 50 %.
Verfahren zur Herstellung eines Schleifringkörpers zur kontinuierlichen Stromübertragung mit einer Schleifkontaktfläche und einem elektrisch leitfähigem Träger und einer zwischen dem Träger und der Schleifkontaktfläche angeordneten Zwischenschicht bei dem die Zwischenschicht galvanisch auf dem Träger abgeschieden wird und auf der Zwischenschicht Gold oder Hartgold galvanisch abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus einem Material gebildet wird, welches härter als Nickel ist.