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Stand der Technik
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Aus der
DE 199 51 116 A1 ist als Schaltvorrichtung ein Startrelais für Startvorrichtungen bekannt, dass dazu geeignet ist einen Strom von mehreren hundert Ampère zu schalten. Im Kurzschlussfall unmittelbar nach dem Beginn des Kontakt gebenden Schaltvorgangs fließen sogar kurzzeitig Ströme bis zu 1800 Ampère.
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Wird die Startvorrichtung unter Last abgeschaltet, oder kommt es zu einer repetierenden Schaltung oder zum Prellen der Kontaktbrücke auf den Gegenkontakten, so entsteht ein Lichtbogen, der u. U. die Kontaktbrücke mit den Gegenkontakten verschweißt. Dieses Verschweißen führt dazu, dass die Startvorrichtung auch nach dem Abschalten durch das Zündschloss bzw. den Startschalter in Betrieb bleibt und innerhalb kurzer Zeit zerstört wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Schweißneigung zwischen den Kontakten zu verringern.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteil der Erfindung gemäß dem Anspruch 1 ist, dass durch die aufgebrachte Nichtmetallschicht die Schweißneigung verhindert oder die Wahrscheinlichkeit zumindest deutlich verringert wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Kontaktbrücke bzw. den Kontakten wird die Oberfläche mit einen chemischen oder physikalischen Prozess behandelt, um die die Schweißneigung verringernde Veränderung der Oberfläche im Neuzustand zu definieren und in kurzer Zeit zu erreichen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Kurze Beschreibungen der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figur näher erläutert:
Der Magnetanker 1 wird nach dem Beginn des Startvorgangs, bspw. durch Betätigen des Startschalters, durch ein dadurch erzeugtes magnetisches Feld eingezogen. Das magnetische Feld entsteht in den Magnetwicklungen, die eine Einzugswicklung 2 und eine Haltewicklung 3 umfassen. Der sich in der Figur nach rechts bewegende Magnetanker 1 drückt die Schaltachse 9 mit der Kontaktbrücke 8 gegen die Kraft einer Kontaktrückstellfeder 11 auf die Gegenkontakte 6 im Schalterdeckel 12. Dadurch wird die Verbindung zwischen einer hier nicht dargestellten Starterbatterie und dem Elektromotor der Startvorrichtung geschlossen.
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Weitere Teile der Schaltvorrichtung 20 sind der Kern 4, der mit dem Gehäuse 23 und dem Magnetanker 1 einen durch die Einzugswicklung 2 und die Haltewicklung 3 erregbaren elektromagnetischen Kreis bildet.
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Eine Kontaktandruckfeder 5 ist zwischen einer Schulter 26 einer Schaltachse 9 und einem Kontaktbrückenträger 32 angeordnet.
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Die beiden Gegenkontakte 6 sind innere Enden zweier elektrischer Anschlüsse 7 und 7a, die im Schalterdeckel 12 gehalten sind. Der elektrische Anschluss 7 entspricht der in Normen als Klemme 30 bezeichneten Klemme und der elektrische Anschluss 7a entspricht der in Normen als Klemme 45 bezeichneten Klemme.
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Eine Ankerrückstellfeder 10 wirkt zwischen dem Magnetanker 1 und dem Kern 4. Nach dem Entregen der Einzugswicklung 2 und der Haltewicklung 3 drückt die Ankerrückstellfeder 10 den Magnetanker 1 zurück.
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Zwischen dem Kern 4 und dem Schalterdeckel 12 befindet sich eine Tellerfeder, die im Schnittbild nicht bezeichnet ist.
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Die Kontaktbrücke 8 und die Gegenkontakte 6 bestehen beispielsweise aus einem Kontaktmetall, bspw. aus Elektrokupfer E-Cu 57. Dieses Kupfer zeichnet sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Als Kontaktmetall sind auch niedrig legierte Kupferlegierungen (z. B. CuCr0,8%Zr0,08% oder CuNi1,5%Si) geeignet, die eine geringere Schweißneigung, aber auch einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen und damit eine höhere Verlustleistung des Anlassers erzeugen.
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Wie eingangs erwähnt, soll auf den Kontakten 6, 8 eine Nichtmetallschicht 35 erzeugt werden. Hierzu sind prinzipiell zwei Verfahren möglich:
In einem ersten Verfahren beispielsweise durch die gezielte Erzeugung einer Nichtmetall-Schicht 35, die aus einer Verbindung des Kontaktmetalls (Elektrokupfer E-Cu 57, Kupferlegierung) mit B, C, N, P, O, S, F, Cl, Br, I (Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Sauerstoff, Schwefel, Fluor, Chlor, Brom und Jod) oder Mischverbindungen aus diesen Elementen auf der Oberfläche. Dadurch wird die Schweißneigung verringert, ohne dass sich signifikant die Verlustleistung erhöht. Aufgrund der geringen Dicke wird diese isolierende Schicht beim Schalten durchschlagen und die hohe Leitfähigkeit des Grundmaterials kommt zum Tragen. Allerdings reicht die dünne Schicht auf der Oberfläche, um die Ausbildung von stabilen Schweißbrücken zwischen der Kontaktbrücke 8 und dem oder den Gegenkontakten 6 deutlich zu verringern, so dass diese vom Feder-Masse-System wieder geöffnet werden können.
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Zur Erzeugung der Schicht nach dem ersten Verfahren sind verschiedene Prozesse möglich:
- a) Nasschemische Reaktion: behandeln der Oberfläche mit oxidierenden Medien wie z. B. Lösungen von H2O2, KMnO4 oder K2S2O8 in Wasser mit unterschiedlichen Konzentrationen/Reaktionszeiten/Reaktionstemperaturen, im speziellen H2O2 mit einer Konzentration von 5 ± 1% bei 20 ± 5°C, einem pH-Wert von 7 ± 1 und einer Behandlungszeit von 6 ± 1,5 Minuten.
- b) Tempern: Lagerung der Kontakte bei erhöhter Temperatur (typischerweise zwischen 40°C und 300°C) mit unterschiedlichen Gasatmosphären/Lagerungsdauern (z. B. trockene Raumluft, Ozon, schwefel- oder halogenidhaltige Atmosphären mit verschiedenen Konzentrationen, Raumluft mit erhöhter Feuchte) und ggf. erhöhtem Druck (typischerweise 1 bar bis 100 bar). Spezielle Bedingungen sind zum einen eine Lagerung in einer Klimakammer bei 85°C und 85% rel. Feuchte für 24 h und zum anderen eine Lagerung bei 150°C für 1 h in einem zur Umgebungsatmosphäre offenen Ofen.
- c) Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD): vakuumbasierte Beschichtungsverfahren, bei dem Materialdampf eines Ausgangsmaterials auf dem zu beschichtenden Bauteil kondensiert mit Schichtdicken von einigen Nanometern bis wenigen Mikrometern, bei denen im Gegensatz zu CVD-Verfahren die Schicht direkt durch Kondensation eines Materialdampfes des Ausgangsmaterials gebildet wird. Es können verschiedene PVD-Prozesse wie z. B. Verdampfen des Ausgangsmaterials mittel Erwärmung, Elektronenstrahl, Lichtbogen oder Laser sowie Sputterprozesse (das Ausgangsmaterial wird durch Innenbeschuss zerstäubt und in die Gasphase überführt) zur Beschichtung eines oder beider Kontaktpartner, typischerweise mit einer Schichtdicke von 200 nm verwendet werden.
- d) Chemische Gasphasenabscheidung: auf der erhitzten Oberfläche des Substrats findet eine Reaktion mit der Gasphase statt, wodurch eine Feststoffkomponenten auf der Oberfläche gebildet wird. Metallische und Nichtmetallische Schichten mit einer typischen Schichtdicke von ca. 200 nm können auf die Kontakte aufgebracht werden.
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Die Nichtmetallschicht hat typischerweise eine Dicke zwischen 10 und 400 nm, im speziellen eine Dicke von ca. 200 nm und kann auf einem oder beiden Kontaktpartnern (Kontaktbrücke 8 und Gegenkontakte 6) erzeugt werden.
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In einem zweiten Verfahren kann die Nichtmetallschicht 35 beispielsweise durch die gezielte Erzeugung einer porösen Nichtmetall-Schicht aus dem Kontaktmetall (Elektrokupfer E-Cu 57, Kupferlegierung), gebunden in einer nichtmetallischen Verbindung mit B, C, Si, N, P, O, S, F, Cl, Br, I (Bor, Kohlenstoff, Silizium, Stickstoff, Phosphor, Sauerstoff, Schwefel, Fluor, Chlor, Brom und Jod) oder Mischverbindungen aus diesen Elementen auf der Kontaktfläche erzeugt werden, wodurch die Schweißneigung ebenfalls verringert wird. Durch die poröse Schicht an der Oberfläche kann durch die Schweißverbindung (Schweißbrücke) eine weniger feste Verbindung zwischen den Kontaktpartnern hergestellt werden, da Poren in der Nähe der Schweißbrücke die Festigkeit des Grundmaterials herabsetzen und die Verschweißung so vom Feder-Masse-System wieder geöffnet werden kann.
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Die poröse Schicht hat typischerweise eine Dicke zwischen 10 und 400 μm und eine Porosität zwischen 5 und 60%, im Speziellen eine Dicke von ca. 200 μm und eine Porosität von 30% und kann auf einem oder beiden Kontaktpartnern (Kontaktbrücke 8 und Gegenkontakte 6) erzeugt werden.
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Bei den oben genannten Prozessen a) bis d) ändert sich an den Abmessungen der derzeitigen Kontakte nichts, da die geringe Dicke der Schicht im Bereich der Toleranz des Bauteils hegt.
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Zur Erzeugung der Schicht nach dem zweiten Verfahren sind verschiedene Prozesse möglich:
- a) Spritzen bei erhöhter Temperatur: Verfahren, bei denen Spritzzusätze innerhalb oder außerhalb der Spritzpistole zugeführt und bis zum plastischen oder geschmolzenen Zustand aufgeheizt und dann auf die vorbereitete Oberfläche geschleudert werden; die Oberfläche wird dabei nicht aufgeschmolzen (siehe DIN EN 657). Das aufzutragende Material wird angeschmolzen und während des Spritzens teilweise oxidiert (z. B. beim Flammspritzen, Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen). Dadurch bildet sich z. B. eine Kupfer/Kupferoxid-Schicht auf den Kontakten, die beim Aufschmelzen durch den Schaltlichtbogen ein Eutektikum bilden. Dieses eutektische Gefüge weist eine geringere Festigkeit auf als das Grundmaterial E-Cu 57, wodurch die evtl. gebildeten Schmelzbrücken leichter wieder aufgerissen werden können. Es können verschiedene, dem Stand der Technik entsprechende Spritzverfahren und Spritzzusätze eingesetzt werden. Im Speziellen kann zum einen Flamm-Lichtbogenspritzen mit einem Drahtdurchmesser von 1,6 mm verwendet werden, um eine Schicht mit ca. 30% Porosität und einer Dicke von 80 bis 150 μm zu erzeugen. Zum anderen Drahtflammspritzen mit einem Drahtdurchmesser von 2,3 mm, um eine Schicht mit ca. 10% Porosität und einer Schichtdicke von 100 bis 200 μm zu erzeugen.
- b) Kaltgasspritzen: Gas mit einer Temperatur von < 400°C wird in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend die Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert. Die injizierten Spritzpartikel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine fest haftende Schicht bilden, wodurch eine Oxidation der aufzuspritzenden Partikel weitgehend verhindert wird. Es können verschiedene, dem Stand der Technik entsprechende Kupferpulver und Spritzparameter eingesetzt werden. Im Speziellen Kupferpulver mit einer Körnung von 15–38 μm, um damit eine Schicht mit einer Porosität von 5–10% und einer Dicke von 100 bis 150 μm zu erzeugen.
- c) Aufschmelzen/Verspritzen der Oberfläche: die Oberfläche der Kontakte wird durch Lichtbögen oder Laser punktuell über den Siedepunkt erhitzt, wodurch ein Teil des Materials verspritzt. Die Spritzer lagern sich als poröse Schicht außerhalb der Erwärmungszone wieder ab. Dieses Verfahren ähnelt der Konditionierung durch häufiges Schalten, allerdings kann hier die Position der Aufschmelzung selektiv bestimmt werden, während beim Schaltlichtbogen die Aufschmelzung an Rauhigkeitsspitzen mit dem geringsten Abstand entsteht.
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Bei den zuletzt genannten Verfahren gemäß a) bis c) muss die Dicke des Bauteils um die aufzutragende Schichtdicke von ca. 200 μm verringert werden.
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Eine Möglichkeit die Schweißneigung im Neuzustand zu verringern ist das wiederholtes Schalten des Relais noch in der Fertigung, um so eine Konditionierung aufgrund von Schaltvorgängen bereits im Werk zu erreichen. Eine andere Möglichkeit ist, das Relais vor dem Verbau in ein Fahrzeug für eine bestimmte Zeit zu lagern, um so eine Alterung – d. h. Veränderung der Kontaktoberläche – zu erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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