DE3434627A1

DE3434627A1 - Electrical sliding contact, especially for commutation systems

Info

Publication number: DE3434627A1
Application number: DE19843434627
Authority: DE
Inventors: Renate Prof. Dr.sc.techn. DDR 9071 Karl-Marx-Stadt Gesemann; Dietmar Dipl.-Ing. DDR 7235 Narsdorf Harzendorf; Günther Prof. Dr.rer.oec. DDR 8051 Dresden Kunze; Germar Prof. Dr.-Ing. habil. Müller; Jürgen Dr.rer.nat. DDR 9112 Burgstädt Spindler; Peter Dr.-Ing. DDR 8036 Dresden Stupin; Dieter Dr.-Ing. DDR 7302 Hartha Tirschler
Original assignee: Dresden Elektromaschinenbau
Current assignee: Dresden Elektromaschinenbau
Priority date: 1983-11-29
Filing date: 1984-09-21
Publication date: 1985-06-05
Also published as: CH664650A5; DD221885A1; JPS60134750A

Abstract

The invention relates to an electrical sliding contact, especially for commutation systems of small DC machines. The purpose of the invention is to increase the service life and the stability of the electrical parameters, the object being to reduce wear and to minimise the amount of noble metal required. The object is achieved by a hard layer which is disposed between the substrate material and the contact layer and preferably comprises NixPy having a roughness from 0.5 to 5 mu m and a cauliflower-like surface structure. The invention can be used for sliding contacts, especially in the field of electrical engineering.

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Elektrischer Gleitkontakt insbesondere für Kommutierungssysteme Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Gleitkontakt, insbesondere für Kommutierungssysteme kleiner Gleichstrommaschinen Charakteritik der bekannten technischen Lösun en An elektrische Gleitkontakte von kommutierungssystemen kleiner Gleichstrommaschinen werden in Bezug auf die Lebensdauer und einem konstant kleinen Kontaktwiderstand hohe Anforderungen gestellt.Electrical sliding contact, especially for commutation systems OF THE INVENTION The invention relates to a sliding contact, in particular for commutation systems Small DC machines Characteristics of the known technical solutions An electrical sliding contacts of commutation systems of small DC machines are in terms of the service life and a constant low contact resistance made high demands.

Bekannte Lösungen für derartige Kommutierunssysteme bestehen aus einem mit einer Eohle- 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 Ausfuhrungen 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 Eontaktübergangswiderstandes ökonomisch und technisch unbefriedigende Lösungen.Known solutions for such commutation systems consist of one Commutator interacting with a solenoid or metal brush, its lamellas are made of sheet metal or wire. The materials used are copper and high-quality designs electrically particularly wear-resistant precious metal alloys, such as ag Cu 10, are used. To increase the reliability is the contact surface sometimes gold-plated. Corresponding versions are e.g. in DE-AS 1 613 169 and DE-OS 2,041,238. Such commutation systems are through the complicated structure of the commutator, the high use of precious metal materials as well as an unsatisfactory long-term behavior of the contact transition resistance economically and technically unsatisfactory solutions.

Vor allem um den Werksrtoffaufwand 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 F, 39/06) sind derartige Schichtkommutatoren beschrieben.In order to minimize the cost of materials, it was therefore suggested that Execute commutators as layer commutators on a ceramic or plastic base. In the DD-WP 101 246, DD-WP 127 191 (both IPK H 01 R, 39/04) and DD-WP 156 654 (IPK H 01 F, 39/06) such layer commutators are described.

Gegenüber Kommutatoren mit massiven Lamellen stellen die Schi chtkommut atoren materialökonomisch günstigere Lösungen dar. Der Nachteil solcher Kommutatoren besteht vor allem in den geringen Schichtdicken bzw. Metallauflazen, wodurch die Lebensdauer und die Belastbarkeit der Sontaktschichten begrenzt ist.Compared to commutators with massive lamellas, the layer commut ators material-economically more favorable solutions. The disadvantage of such commutators consists mainly in the low layer thicknesses or metal layers, which means that the The service life and the resilience of the contact layers is limited.

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 Qalitätsparametern können etwa nur bis in die Größenordnung von 10 jum hergestellt werden. Die möglichen Verschleißwege liegen damit im Bereich einiger pin und die Lebensdauer ist dementsprechend kurz.To remedy this disadvantage by depositing thicker layers, if the technical possibilities allow it, thicker layers with the required one fail low porosity, great hardness and adhesive strength and a flat surface to manufacture. Layers with the required quality parameters can only be up to the order of 10 jum. The possible wear paths are therefore in the range of a few pins and the service life is correspondingly short.

Es wurde versucht, diesem Nachteil durch extrem harte Metallschichten entgegenzuwirken. So ist z.B., gemäß dem DD-WP 101 246, eine Nix Py-Schicht9 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 Eontaktwiderstande auftreten. Das langzeitverhalten des Kontaktwiderstandes wird dazu noch durch die mangelhafte Oxydati onsbe ständigkei t negativ beeinflußt.Attempts have been made to remedy this disadvantage by using extremely hard metal layers to counteract. For example, according to DD-WP 101 246, a Nix Py layer9 is the has an extremely high mechanical wear resistance, as a contact layer of a commutator became known. Such layers are very hard and lead to a lot of brush wear. On top of that the electrical Properties of Nix Py are relatively bad and thus high contact resistance appear. The long-term behavior of the contact resistance is also due to the Inadequate resistance to oxidation negatively influenced.

Mit derartigen Schichten ausgerüstete Kommutierungssysteme sind deshalb für Gleichstrom-Präzisionsmaschinen schlecht geeignet.Commutation systems equipped with layers of this type are therefore poorly suited for DC precision machines.

Gemäß den DE-OS 1763 878 und DE-OS 2124 425 ist es auch bekannt die Elemente des Kommutierungssystems, d.h. den Kommutator oder die Bürste mit einem WeF Weichmetallüberzug, vorzugsweise mit einer 0,3 bis 6 um starken Weichmetallschicht zu versehen.According to DE-OS 1763 878 and DE-OS 2124 425 it is also known Elements of the commutation system, i.e. the commutator or the Brush with a WeF soft metal coating, preferably 0.3 to 6 µm thick To provide soft metal layer.

Hierbei wird offensichtlich davon ausgegangen, daß neben einer Schmierwirkung ein Teil der im Schaltfunken am Kontakt system 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 here that in addition to a lubricating effect Part of the energy that occurs in the switching sparks in the contact system is in the low-melting points Metals is implemented. It is disadvantageous that these soft metal layers are caused by oxidation have insufficient constancy of the contact resistance. Be precious metal layers used as cover layers, which is generally used for high-quality contact systems anyway is known, the service life depends essentially on the layer thickness and thus depends on the amount of precious metal used.

In dem DD-WP 156 654, IPK K 01 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 dunn gehalten werden.The DD-WP 156 654, IPK K 01 R, 43/06 describes a manufacturing process for a stratified commutator. According to this process, it is applied to a ceramic base body chemically-reductively deposited a Nix Py-layer, on the galvanic way a noble metal contact layer is applied. The Nix Py layer is used for that Electroplated layer as an electrically conductive adhesive layer, its strength can therefore be kept very thin at 50 nm.

Auch bei solchen Kontaktsystemen wird die Lebensdauer letztlich von dem verfügbaren Verschleißweg der Goldschicht bestimmte, da nach deren Abnutzung das Kontaktsystem nicht mehr die erforderlichen Parameter aufweist.Even with such contact systems, the service life is ultimately of the available wear path of the gold layer determined, since after its wear the contact system no longer has the required parameters.

Ziel der Brfindunz Durch die Erfindung soll mit geringem Aufwand erreicht werden, daß derartige elektrische Gleitkontakte bei hoher Stabilität der elektrischen Parameter eine große Lebensdauer aufweisen.Objective of the invention The invention is intended to be achieved with little effort be that such electrical sliding contacts with high stability of the electrical Parameters have a long service life.

Darle un des Wesens der Erfinden Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen hochwertigen elektrischen Gleitkontakt, insbesondere für Kommutierungssysteme kleiner Gleichstrommaschinen, zu schaffen, der einen geringen Versch~eiX, keine oder nur unwesentliche Oxydationserscheinungen aufweist und einen geringen Edelmetallaufwand erfordert, Ausgehend von einem elektrischen Gleitkontakt, bei dem auf einem Erägerwerkstoff eine Kontaktschicht angeordnet ist, wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelost, daß zwischen dem Trägerwerkstoff und der Kontaktschicht eine harte amorphe Zwischenschicht mit einer Oberflächenrauhigkeit von 0,5 - 10 9 und blumenkohlartiger Oberflächenstruktur angeordnet ist.Loan and the essence of the invention The invention is based on the task a high-quality electrical sliding contact, especially for commutation systems small DC machines to create the one low variance, shows no or only insignificant signs of oxidation and a minor one Requires precious metal expenditure, starting from an electrical sliding contact where a contact layer is arranged on a carrier material, the task becomes the invention solved that between the carrier material and the contact layer a hard amorphous intermediate layer with a surface roughness of 0.5-10 9 and cauliflower-like surface structure is arranged.

Zweckmäßigerweise besteht die Zwischenschicht aus Nix Py.The intermediate layer expediently consists of 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 32in. 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 1ozon liegen, wobei die Schichtstärke mindestens geringfügig größer als die Rauhtiefe der Zwischenschichtoberfläche sein muß.The phosphorus content of the Nix Py layer should be between 5 and 10%. Another variant of the invention provides an intermediate layer made of Nix By. the The roughness of the surface structure is preferably 32in. The contact layer consists of gold, silver or a silver-palladium alloy for high-quality contacts. A copper layer is also sufficient for less demanding tasks. The strength of the Contact layer should be between 0.5 and 1ozon, the layer thickness at least must be slightly larger than the roughness of the interlayer surface.

Durch diesen erfindung sgemäß 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 führen bei diesem Aufbau des Gleitkontaktes überraschend nicht zum Herausreiben des Eontaktmaterials aus der Trägerschicht. Wahrscheinlich ist, daß die Spitzen der rauhen ZwiSchenschicht die mechanischen Belastungen übernehmen und den weiteren Verschleiß der Kontaktschicht stark verzögern.Through this invention constructed according to electrical sliding contact, especially for commutation systems of small DC machines with metal brushes is suitable, a long service life and a high stability of the contact transition resistance achieved. The mechanical and electrical loads lead to this structure of the sliding contact surprisingly not to rub out the contact material the carrier layer. It is likely that the tips of the rough interlayer take over the mechanical loads and the further wear of the contact layer strongly delay.

Das Eontaktmaterial bleibt in den Rauhtiefen der Zwischenschicht haften und sorgt somit für die hervorragenden Parameter des Gleitkontaktes.The contact material adheres to the surface roughness of the intermediate layer and thus ensures the excellent parameters of the sliding contact.

Innerhalb eines Kommutierurgssystens kann dieser Gleitkontakt auf dem Kommutator oder auf der Bürste oder auf beiden Elementen angeordnet sein. Die Anwendung ist nicht nur auf Eommutierungssysteme begrenzt, die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung, insbesondere die Minimierung der für hochwertige Gleitkontakte erforderlichen Edelmetall schicht, treten auch an Schleifringen, Steckkontakten und dergleichen ein.This sliding contact can occur within a commutation system be arranged on the commutator or on the brush or on both elements. the Application is not limited to eommutation systems, the advantages of the invention Solution, in particular the minimization of the necessary for high quality sliding contacts Precious metal layer, also occur on slip rings, plug contacts and the like a.

Je nach Strombelastung ist der Tragkörper auf dem der Gleitkontakt angeordnet ist, als Isolator oder als Leiter ausgebildet. Bei Schichtkommutatoren oder ßchleiSringen ist es möglich zur Erhöhung der Strombelastbarkeit auf einem isolierenden Tragkörper unter dem erfindungsgemäßen Gleitkontakt leitende Schichten, z.B. Kupferschichten, anzuordnen.Depending on the current load, the supporting body is on the sliding contact is arranged, designed as an insulator or a conductor. With layer commutators or ßchleiSringen it is possible to increase the current carrying capacity on one insulating support body under the sliding contact according to the invention conductive layers, e.g. copper layers.

Ausführungsbeispiel 1 Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert.Exemplary embodiment 1 The invention is illustrated below using an exemplary embodiment explained.

Auf einem zylindrischen Keratikgrundkörper, der eine nach dem DD-WP 156 654 hergestellte chemisch strukturierte und metallisierte Oberfläche aufweist, ist eine auf galvanischem Weg abgeschiedene Kupferschicht als Leltschicht angeordnet. Die Kupferschicht weist eine Stärke von 10 so auf, Ihre Oberflächenrauhigkeit beträgt ca. 3 Xm. Auf der als Leitschicht dienenden KupSerschicht ist durch chemisch-reduktives Abscheiden eine etwa 4 pni starke Nix Py-Schicht als Zwischenschicht angeordnet, die ihrerseits die Kontaktschicht aus Gold trägt. Diese galvanisch erzeugte Schicht weist eine Stärke von 3>;m auf. Die Nix Py-Zwischenschicht weist eine blumenkohlartige Oberfläche mit einer Rauhigkeit von 3 aus auf.On a cylindrical keratics body, the one according to the DD-WP 156 654 has a chemically structured and metallized surface produced, a copper layer deposited by electroplating is arranged as a solder layer. The copper layer has a thickness of 10 so its surface roughness is approx. 3 xm. On the copper layer serving as the conductive layer is chemically reductive Depositing an approximately 4 pni thick Nix Py layer arranged as an intermediate layer, which in turn carries the contact layer made of gold. This electroplated layer has a thickness of 3>; m. The Nix Py interlayer has a cauliflower-like look Surface with a roughness of 3.

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.The contact resistance of the sliding contact according to the invention equipped commutator with an Ag Pd 30 brush, is less than 5 mV and has a very good long-term behavior.

Ausführungsbeispiel 2 Nach einer zweiten Variante ist der erfindungsgemäße Gleitkontakt an einem normalen Kupferkommutator angeordnet.Embodiment 2 According to a second variant of the invention Sliding contact arranged on a normal copper commutator.

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 10 Sm dicke Kupferschicht, die auf galvanischem Weg erzeugt wurde.On the slotted and twisted surface there is one on chemical-reductive Weg produced Nix Py layer with a thickness of 5 µm and a roughness of 4) µm arranged. On this layer there is a 10 Sm thick copper layer which was generated by galvanic means.

Claims

funsansc 1. Electrical sliding contact, especially for eommutation systems small DC machines with a contact layer on a carrier material is arranged, 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 and a cauliflower-like surface structure is arranged.

2. Electrical sliding contact according to point 1, characterized in that that the intermediate layer consists of Nix Py.

3. Electrical sliding contact according to point 1, characterized in that that the intermediate layer consists of Nix By.

4. Electrical sliding contact according to point 1 or 2, characterized in that that the contact layer consists of gold, silver or silver-palladium alloy.

5. Electrical sliding contact according to point 1 or 2, characterized in that that the contact layer consists of pluckers.

6. Electrical sliding contact according to point 4 or 5, characterized in that that the thickness of the contact layer is between 0.6 and 10 pm, but at least is slightly larger than the roughness of the interlayer surface.