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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Kontaktelement
zum elektrischen Verbinden einer elektrischen Vorrichtung und zum Bereitstellen
von Stromübertragung
in einem elektrischen Schaltkreis. Das elektrische Kontaktelement umfasst
einen metallischen Körper,
wobei mindestens eine am Körper
vorhandene Kontaktoberfläche völlig oder
teilweise mit einer reibungsmindernden Schicht bedeckt ist.
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Stand der Technik
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Elektrische
Kontaktelemente, wie zum Beispiel Verbindungs- und Anschlussvorrichtungen
vom Steckertyp, Schleifkontakte oder feststehende Kontakte, die
angepasst sind, um eine elektrische Vorrichtung elektrisch zu verbinden
und Stromübertragung
in einer Schaltanlage für
niedrige Spannung, mittlere Spannung oder hohe Spannung bereitzustellen,
in einem Steuersystem oder in irgendeiner Form von elektrischem
Schaltkreis, sind vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium gefertigt.
Ein Kontaktelement kann zum Beispiel vom streifenförmigen Typ,
vom Stifttyp, ein spiralförmiges
Kontaktelement oder eine Vorrichtung zum Verbinden mit verschiedenen
Typen von internen oder externen Anschlussschienen sein.
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Um
die elektrischen und thermischen Eigenschaften eines Kontaktübergangs
zu verbessern und dabei gleichzeitig eine auf dem Kontaktelement
vorhandene Kontaktoberfläche
gegen Abnutzung und Korrosion zu schützen sowie auch die Funktion
des Kontaktelements für
eine längere
Zeitspanne zu gewährleisten,
ist es bekannt, das Kontaktelement beispielsweise mit Silber oder
Zinn zu beschichten. Eine silber- oder zinnbeschichtete Kontaktoberfläche, die gegen
eine andere silber- oder zinnbeschichtete Kontaktoberfläche gleitet,
zeigt jedoch eine starke Neigung, miteinander verschweißt zu werden.
Um dieses Problem zu vermeiden, sind die silber- oder zinnbeschichteten
Kontaktoberflächen
daher üblicherweise
mit einem Schmiermittel geschmiert. Für silber- oder zinnbeschichtete
Kontaktoberflächen wird
gewöhnlich
ein Schmiermittel mit einem Öl
oder einem Fett als Grundlage verwendet. Feste Schmiermittel, beispielsweise
Graphit oder verschiedene Arten von Plastik, können ebenfalls verwendet werden. Feste
Schmiermittel sind jedoch schlechte elektrische Leiter und nutzen
sich oft ab, wenn die Kontaktoberflächen gegeneinander gleiten.
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Auch
für Kontaktelemente
mit einer unbeschichteten Kontaktoberfläche ist eine verringerte Reibung
auf der Kontaktoberfläche
wünschenswert.
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US 5 316 507 bietet ein
Beispiel für
eine Kontaktschicht mit schmierenden Eigenschaften. Ein festes Schmiermittel,
Graphit einer bestimmten Korngröße, vermischt
mit einem Pulver aus einem elektrisch leitenden Material, zum Beispiel
Gold, wird in einen Körper
gepresst, der gesintert wird. Während des
Sinterns verschmelzen die Goldkörner,
und das Graphit bleibt in Hohlräumen
des Golds. Der Sinterkörper
wird in einer Vielzahl von Walzschritten mit dazwischenliegenden
Wärmebehandlungsvorgängen zu
einem Streifen gewalzt, der als eine leitende und schmierende Kontaktschicht
für Kontaktelemente verwendet
wird. Ein Nachteil der vorstehend erwähnten leitenden und schmierenden
Kontaktschicht ist, dass sie einen komplizierten und teuren Herstellungsprozess
erfordert.
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GB 601 377 offenbart eine
verbesserte Methode, um Kohle- oder graphitisierte Körper, die
bei der Herstellung von Kohle- oder graphitisierten Kohleelektroden,
wie elektrischen Schleifbürsten,
verwendet werden, mit metallischen Halogenidsalzen zu beschichten.
Kohleblöcke
zur Verwendung als elektrische Schleifbürsten werden mit einem nichthygroskopischen
oder nichtzerfließenden
metallischen Halogenidsalz durch Wärmebehandlung beschichtet, um
zu bewirken, dass das Salz in Form von Partikeln in den Kohlekörpern verteilt
wird. Wie in
2 gezeigt, wird das Salz
26 in
einer Tasche auf der oberen Oberfläche des Blocks
12 abgelagert
und in einen Schmelzofen eingebracht. Die verwendeten Salze schließen Blei-
oder Cadmiumjodid, -bromid, -chlorid oder -fluorid, Kalzium- oder
Magnesiumfluorid, Quecksilberjodid oder -bromid und Kupferbromid
ein. Das Salz kann als Pulver aufgebracht werden, am Stück oder
vermischt mit einem leichtflüchtigen
Bindemittel.
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Ein
Problem bei der Verwendung eines öl- oder fettbasierten Schmiermittels
ist, dass es schwierig ist, eine gleichmäßige Schicht des Schmiermittels auf
die Kontaktoberfläche
aufzubringen. Dicke Schmiermittelfilme haben einen ungünstigen
Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften, und dünne Schmiermittelfilme
werden oft durch mechanische Einwirkung abgenutzt. Ein weiteres
Problem bei der Verwendung eines Schmiermittels ist, dass es flüchtig ist
und daher andere Komponenten verunreinigt. Noch ein weiteres Problem
ist, dass das Schmiermittel klebrig ist, was bedeutet, dass es an
andere Komponenten anhaftet, die nicht geschmiert werden sollen
und dass es leicht Verunreinigungen aufnimmt, zum Beispiel Staubpartikel,
was einen erhöhten
Kontaktwiderstand verursachen kann. Die Verunreinigungen im Schmiermittel
können
auch dazu führen,
dass das Schmiermittel leichter oxidiert und damit weniger haltbar
wird.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Kontaktelement mit
einer reibungsmindernden Schicht, ohne die oben erwähnten Nachteile
bei der Verwendung eines fett- oder ölbasierten
Schmiermittels zu reibungsmindernden Zwecken, zu erhalten. Die reibungsmindernde
Schicht soll eine niedrige Reibung an den Kontaktoberflächen aufweisen,
eine gute Abnutzungsbeständigkeit
und eine hohe Korrosionsbeständigkeit.
Die reibungsmindernde Schicht soll außerdem einfach und preiswert
herzustellen sein.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
elektrisches Kontaktelement, das angepasst ist, um eine elektrische
Vorrichtung elektrisch zu verbinden und Stromübertragung in einer Schaltanlage
für niedrige
Spannung, mittlere Spannung oder hohe Spannung bereitzustellen,
in einem Steuersystem oder in irgendeiner Form von elektrischem Schaltkreis,
umfasst einen metallischen Körper,
vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder einer Legierung auf der
Grundlage irgendeines dieser beiden Metalle. Um die elektrischen
und thermischen Eigenschaften des Kontaktübergangs zu verbessern und dabei
gleichzeitig eine auf dem Kontaktelement vorhandene Kontaktoberfläche gegen
Abnutzung und Korrosion zu schützen
sowie die Funktion des Kontaktelements für eine längere Zeitspanne zu gewährleisten,
ist es üblich,
mindestens eine der auf dem Körper
vorhandenen Kontaktoberflächen
mindestens teilweise mit einer Schicht von zum Beispiel Silber oder
Zinn zu beschichten. Gemäß der Erfindung
ist das Kontaktelement, möglicherweise
mit einer Schicht aus Silber oder Zinn, mit einer reibungsmindernden
Schicht bedeckt, die eine Metallverbindung umfasst, vorzugsweise
ein Metallsalz wie zum Beispiel ein Metallhalogenid oder ein Metallsulfid.
Beispiele für
Metallhalogenide sind zum Beispiel Silberhalogenid, Zinnhalogenid oder
Kupferhalogenid. Beispiele für
Silberhalogenide sind Silberjodid, Silberchlorid oder Silberbromid.
Entsprechende Halogenide gibt es auch mit Kupfer und Zinn. Die reibungsmindernde
Schicht hat eine Dicke im Bereich von 0.001 μm bis 1000 μm und ist vorzugsweise kleiner als
5 µm.
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Ein
Kontaktelement gemäß der Erfindung zeigt
eine verringerte Reibung an den Kontaktoberflächen, eine verbesserte Abnutzungsbeständigkeit, und
eine erhöhte
Korrosionsbeständigkeit
der Kontaktoberflächen
im Vergleich zu einer unbeschichteten Silberschicht oder Zinnschicht.
Es hat sich zum Beispiel erwiesen, dass die Reibung an den Kontaktoberflächen bei
der Beschichtung mit einem Metallsalz, wie dem Metallhalogenid oder
dem Metallsulfid, wesentlich geringer ist verglichen mit der Reibung
bei einer Schicht aus beispielsweise Zinn oder Silber auf der Kontaktoberfläche. Im
Fall geringer Reibung an den Kontaktoberflächen wird die Betätigung des
Kontaktelements vereinfacht und ermöglicht die Verwendung von höheren Kontaktkräften. Eine
geringe Reibung an den Kontaktoberflächen führt außerdem zu gesteigerter Abnutzungsbeständigkeit,
was verbesserte thermische und elektrische Eigenschaften zur Folge
hat und die erwartete Betriebsdauer verlängert.
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Die
Beschichtung mit dem Metallsalz, wie dem Metallhalogenid oder dem
Metallsulfid, wird beispielsweise elektrolytisch direkt auf dem
Metallkörper aus
zum Beispiel Kupfer oder Aluminium ausgeführt, oder nachdem der metallische
Körper
versilbert oder zinnbeschichtet wurde. Die Beschichtung mit dem Metallsalz
wird auch durch das Eintauchen des Kontaktelements in eine Lösung erreicht,
die mindestens eines der folgenden Ionen enthält: Chlorid, Bromid, Iodid
oder Sulfid. Das Halogen oder das Sulfid reagiert an der Kontaktoberfläche mit
dem Metall und bildet die Schicht aus dem Metallsalz.
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Eine
andere mögliche
Beschichtungsmethode ist Verdampfung. Bei Verdampfung wird das Kontaktelement
in einer geschlossenen Kammer platziert und ein Gas, das mindestens
eines der Halogene oder Sulfide enthält, wird in die Kammer eingelassen. Das
Halogen oder das Sulfid reagiert mit der Oberfläche des Kontaktelements und
bildet eine feste Verbindung von Metallhalogenid oder Metallsulfid
auf mindestens einem Teil der Kontaktoberfläche.
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Ein
weiteres Beispiel eines Beschichtungsprozesses, der verwendet werden
kann, ist CVD (chemical vapor deposition, Chemische Gasphasenabscheidung).
Beim CVD-Verfahren wird das Material, mit dem die ganze Kontaktoberfläche oder
Teile davon beschichtet werden sollen, verdampft. Durch eine chemische
Reaktion auf oder in der Nähe
dieser Oberfläche,
die beschichtet werden soll, wird eine feste Schicht auf der Oberfläche gebildet.
Durch das CVD-Verfahren
erhält
die Schicht eine einheitliche Dicke mit einer geringen Porosität.
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Ein
Vorteil davon, die Kontaktoberfläche
mit einer Schicht einer chemischen Verbindung wie einem Metallhalogenid
oder einem Metallsulfid zu beschichten, im Vergleich zur Verwendung
eines öl- oder
fettbasierten Schmiermittels gemäß dem Stand der
Technik, ist es, dass die Schicht mit dem Metallhalogenid oder Metallsulfid
eine längere
Haltbarkeit hat als die Schicht mit dem öl- oder fettbasierten Schmiermittel.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das Kontaktelement nach der Beschichtung
mit dem Metallhalogenid oder dem Metallsulfid leichter zu handhaben
ist als nach der Beschichtung mit dem öl- oder fettbasierten Schmiermittel.
Das öl-
oder fettbasierte Schmiermittel ist flüchtig und kriecht leicht zu
Oberflächen,
die frei von Schmiermittel sein sollten. Zusätzliche Vorteile der Schicht
aus Metallhalogenid oder Metallsulfid sind, dass eine gleichmäßigere Schicht
erhalten werden kann und dass die Schicht ein besseres Haftvermögen hat
als die Schicht des fett- oder ölbasierten
Schmiermittels.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein elektrisches Kontaktelement vom Steckertyp.
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2 zeigt
ein elektrisches Kontaktelement vom Spiralkontakttyp im Querschnitt.
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3 zeigt
ein Diagramm dazu, wie sich Kontaktwiderstand, Kurve A, und Reibungskoeffizient,
Kurve B, für
einen Kontakt mit einer Beschichtung aus gewöhnlichem Silber mit der Zeit ändern.
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4 zeigt
ein Diagramm dazu, wie sich Kontaktwiderstand, Kurve A, und Reibungskoeffizient,
Kurve B, für
einen Kontakt mit einer Beschichtung aus gewöhnlichem Silber und einer reibungsmindernden
Schicht aus Silberjodid mit der Zeit ändern.
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5 zeigt
schematisch ein Schleifkontaktelement in einem Stufenschalter für einen
Transformator.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt
eine Kontaktvorrichtung, die ein elektrisches Kontaktelement vom
Steckertyp umfasst, in dem Kontaktoberflächen gegeneinander gleiten,
in Verbindung mit einem ersten Kontaktelement 10 in Form
einer federnden Klemmbacke, das angepasst ist, um mit einem zweiten
Kontaktelement 11 in Form einer Stromschiene verbunden
zu werden. Das erste Kontaktelement 10 wird an die Stromschiene 11 angebracht
und liegt im kontaktierenden Zustand geklemmt mit mindestens einer
Kontaktoberfläche 12 an
mindestens einer Kontaktoberfläche 13 auf,
die am anderen Kontaktelement 11 vorhanden ist.
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Das
elektrische Kontaktelement 10 umfasst einen metallischen
Körper,
vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder einer Legierung auf der
Grundlage irgendwelcher dieser beiden Metalle. Gemäß der Erfindung
ist mindestens eine der Kontaktoberflächen, bezeichnet mit 12 oder 13,
vollständig
oder teilweise mit einer reibungsmindernden Schicht beschichtet, die
ein Metallsalz wie ein Metallhalogenid oder ein Metallsulfid umfasst.
Beispiele für
Metallhalogenide sind beispielsweise Silberhalogenid, Zinnhalogenid oder
Kupferhalogenid. Beispiele für
Silberhalogenide sind Silberjodid, Silberchlorid und Silberbromid.
Die reibungsmindernde Schicht hat eine Dicke im Bereich von 0.001 µm bis 1000 µm, und
vorzugsweise ist die Dicke der reibungsmindernden Schicht kleiner als
5 µm.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der
Schicht kleiner als 1 µm.
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Es
gibt auch andere Arten von Stromschienen und Kontaktelementen; beispielsweise
kann das erste Kontaktelement angepasst sein, um in eine U-förmige Stromschiene
eingefügt
zu werden, so dass es im kontaktierenden Zustand mit seinen Kontaktoberflächen gegen
die Kontaktoberflächen
der U-Schiene im U-förmigen
Schlitz eingeklemmt ist.
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2 zeigt
ein anderes Beispiel einer Kontaktvorrichtung, bei der es vorteilhaft
ist, zumindest eine der Kontaktoberflächen mit einer reibungsmindernden
Schicht gemäß der Erfindung
zu beschichten. Genauer gesagt zeigt 2 ein Spiralkontaktelement,
wobei ein erstes Kontaktelement 20 in der Form eines federnden
ringförmigen
Körpers,
wie ein Ring eines Spiral- bzw.
Wendeldrahts, dafür
angepasst ist, einen elektrischen Kontakt zwischen einem zweiten Kontaktelement 21,
wie einer inneren Hülse oder
einem Stift, und einem dritten Kontaktelement 22, wie einer äußeren Hülse oder
einem Rohr, herzustellen und aufrechtzuerhalten. Das erste Kontaktelement 20 wird
im kontaktierenden Zustand so zusammengedrückt, dass mindestens eine erste
Kontaktoberfläche 23 des
ersten Kontaktelements 20 gegen eine Kontaktoberfläche 24 des
zweiten Kontaktelements 21 geklemmt wird und dass mindestens
eine zweite Kontaktoberfläche 26 des
ersten Kontaktelements 20 gegen mindestens eine Kontaktoberfläche 25 des
dritten Kontaktelements 22 geklemmt wird. Gemäß der Erfindung
ist mindestens eine der Kontaktoberflächen 23, 24, 25, 26 vollständig oder
teilweise mit der reibungsmindernden Schicht beschichtet, die ein
Metallsalz wie beispielsweise ein Metallhalogenid oder ein Metallsulfid
umfasst. Das Spiralkontaktelement wird beispielsweise in einem elektrischen
Trennschalter bzw. Leistungsschalter in einer Schaltanlageneinheit
verwendet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Kontaktoberflächen 12, 13, 23, 24, 25, 26,
zumindest teilweise versilbert oder zinnbeschichtet, und die Silber-
oder Zinnschicht ist ihrerseits mit der reibungsmindernden Schicht
beschichtet, die ein Metallsalz wie ein Silbersalz oder ein Zinnsalz
enthält. Das
Silbersalz ist beispielsweise ein Silberhalogenid oder ein Silbersulfid.
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Zum
Beschichten der Kontaktoberfläche
mit dem Metallsalz, wie zum Beispiel dem Metallhalogenid oder dem
Metallsulfid, stehen eine Anzahl von möglichen Beschichtungsverfahren
zur Verfügung. Unter
diesen können
die erwähnte
elektrolytische Beschichtung, Verdampfung oder Eintauchen der Kontaktoberfläche in eine
Lösung,
die mindestens eines der folgenden Ionen enthält, sein: Iodid, Chlorid, Bromid
oder Sulfid.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist/sind die gesamte oder Teile der Kontaktoberfläche 12, 13, 23, 24, 25, 26 versilbert,
und die versilberte Kontaktoberfläche ist ihrerseits mit einer Silberjodidschicht
mit einer Dicke kleiner als 5 µm, vorzugsweise
kleiner als 1 µm,
beschichtet. Die Schicht aus Silberjodid wird, in einer bevorzugten Ausführungsform,
mit dem elektrolytischen Beschichtungsverfahren in geeigneter Weise
hergestellt.
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3 und 4 zeigen,
wie der Kontaktwiderstand, Kurve A, und der Reibungskoeffizient,
Kurve B, sich mit der Zeit t ändern,
in einem Reibungsexperiment für
jeweils ein Kontaktelement, das mit gewöhnlichem Silber beschichtet
ist und ein Kontaktelement, bei dem die Schicht aus gewöhnlichem
Silber mit einer Schicht aus Silberjodid beschichtet ist. Während des
Experiments in 3 ist das Kontaktelement mit
15–25 µm gewöhnlichem
Silber beschichtet, und während
des Experiments in 4 ist das Kontaktelement mit
15–25 µm gewöhnlichem
Silber beschichtet, welches wiederum mit einer 7000 Å dicken
Schicht aus Silberjodid beschichtet ist. Während der beiden Experimente
in 3 und 4 wurde eine Kontaktkraft von
20 N verwendet. Ein Vergleich zwischen den 3 und 4 zeigt,
dass der Reibungskoeffizient B deutlich geringer wird, wenn die
Schicht aus gewöhnlichem
Silber gemäß der Erfindung
mit Silberjodid beschichtet wird.
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5 zeigt
schematisch ein elektrisches Schleifkontaktelement gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Ein erstes Kontaktelement 31 wird als ein
beweglicher Teil eines Stufenschalters 32 für einen
Transformator angeordnet. Das Kontaktelement 31 ist angepasst,
um in elektrischem Kontakt entlang des Spulenkontakts 33 an der
Sekundärwicklung
des Transformators zu gleiten, um eine Spannung in der gewünschten
Höhe vom
Transformator zu erhalten. Eine reibungsmindernde Schicht 34,
die Metallhalogenid oder Metallsulfid gemäß der Erfindung umfasst, wird
auf die Kontaktoberfläche 35 des
ersten Kontaktelements 31 und/oder auf die Kontaktoberfläche 36 des
Spulenkontakts 33 aufgebracht. Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
umfasst die reibungsmindernde Schicht 34 Silberjodid. Das
erste Kontaktelement 31 ist leicht entlang dem Spulenkontakt 33 bewegbar,
während
gleichzeitig ein niedriger Kontaktwiderstand beibehalten wird.
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Zusätzlich zu
den Beispielen für
Kontaktvorrichtungen, die vorstehend beschrieben sind, sind mehrere
Arten von Kontaktvorrichtungen erhältlich, bei denen es vorteilhaft
ist, die ganze Kontaktoberfläche
des Kontaktelements oder Teile davon mit einem Metallhalogenid oder
einem Metallsulfid gemäß der Erfindung
zu beschichten. Ein Beispiel einer solchen Kontaktvorrichtung ist
eine Kontaktvorrichtung mit einem zwischenliegenden Kontaktelement
in der Form einer zylindrischen Hülse, die eine Anzahl von federnden
Elementen umfasst oder einer zylindrischen Hülse, die in radialer Richtung
federnd ist, welche angepasst ist, um zwischen einem ersten Kontaktelement,
einer inneren Hülse
oder einem Stift, und einem zweiten Kontaktelement, einer äußeren Hülse oder
einem Rohr, elektrisch zu verbinden, zu kontaktieren und Stromübertragung
bereitzustellen, wobei die federnde Hülse oder die federnden Elemente
im geklemmten Zustand an den Kontaktoberflächen der beiden Hülsen aufliegen.
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Ein
anderes Beispiel ist eine Kontaktvorrichtung, in der ein erstes
Kontaktelement, zum Beispiel eine federnde Hülse mit einem im wesentlichen rechteckigen
Querschnitt im kontaktierenden Zustand mit einem zweiten Kontaktelement,
zum Beispiel einem flachen Stift versehen wird. Noch ein weiteres
Beispiel einer Art von Kontakt ist eine Kontaktvorrichtung mit einem
ersten Kontaktelement in der Form einer federnden zylindrischen
Hülse,
die im kontaktierenden Zustand an ein zweites Kontaktelement in
der Form eines festen zylindrischen Stiftes oder einer inneren Hülse angebracht
wird, wobei die Federkraft der Hülse
bewirkt, dass sie im geklemmten Zustand mit ihrer Kontaktoberfläche an der
Kontaktoberfläche
des Stifts aufliegt. Diese letzte Art von Kontakt umfasst auch Hülsen mit
einer Vielzahl von Fingern, die angepasst sind, um eine zylindrische Hülse zu bilden.
Wenn ein Stift oder eine innere Hülse an die Hülse angebracht
wird, werden die Finger im geklemmten Zustand an einer Kontaktoberfläche der
Hülse oder
des Stifts aufliegen.
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Um
die Reibung, die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften
der reibungsmindernden Schicht weiter zu verbessern, ist es möglich, die
reibungsmindernde Schicht mit einer oder mehreren Substanzen zu
dotieren, zum Beispiel mit verschiedenen Metallen. Die Menge der
Dotiersubstanzen sollte 20 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der
reibungsmindernden Schicht nicht überschreiten.
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Ein
Kontaktelement, das mit einer reibungsmindernden Schicht gemäß der Erfindung
beschichtet ist, ist für
die Verwendung in elektrischen Geräten und Anlagen bei niedriger,
mittlerer oder hoher Spannung vorgesehen.
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Die
reibungsmindernde Schicht gemäß der Erfindung
ist auch zur Beschichtung von elektrischen Kontaktelementen mit
einer anderen Oberfläche
als Silber, Zinn, Kupfer, Aluminium oder Legierungen davon vorgesehen.