Pierwszenstwo: 06.Y.1970 (P. 140 444) 08.V.1969 Niemiecka Republika Demokratyczna Opublikowano: 18.03.1974 69585 KI. 21cU,59 MKP HOlr 39/04 4I6UOTEKA (•«*. Pat*"*—•»! Wspóltwórcy wynalazku: Walter Fórste, Hans-Joachim Teuschler Wlasciciel patentu: Vereinigung Volkseigner Betriebe Elektrische Kon- sumgiiter, Berlin (Niemiecka Republika Demokra¬ tyczna) Komutator i pierscienie slizgowe do maszyn elektrycznych oraz sposób ich wytwarzania Przedmiotem wynalazku jest komutator i piers¬ cienie slizgowe do maszyn elektrycznych, jak równiez inne zestyki slizgowe stosowane w elek¬ trotechnice oraz sposób ich wytwarzania.Komutatory i pierscienie slizgowe do maszyn elektrycznych, jak równiez inne zestyki slizgowe stosowane w elektrotechnice sa wytwarzane z dob¬ rze przewodzacych metali, a przede wszystkim z miedzi. Znaczna czesc stosowanego metalu sluzy przy tym do mechanicznego zamocowania dzialek komutatora, wzglednie zewnetrznej powierzchni pierscienia slizgowego, a tylko mala czesc calej masy zastosowanego materialu metalowego spel¬ nia funkcje zestyku slizgowego i tylko ta czesc ulega scieraniu. Przy wytwarzaniu tego typu ko¬ mutatorów i pierscieni slizgowych konieczne jest, ze wzgledu na wystepujace sily odsrodkowe, za¬ pewnienie zwiekszonej wytrzymalosci mechanicz¬ nej oraz wysokiej dokladnosci ruchu obrotowego.Znane sa obecnie komutatory i pierscienie sliz¬ gowe, w których jako nosnik zastosowane jest tworzywo sztuczne na przyklad zywica polifor- maldehydowa. Po odpowiednim uksztaltowaniu po¬ wierzchni slizgowych nosnik ten jest srebrzony wzglednie grafitowany, a nastepnie elektrolitycz¬ nie pokrywany warstwa miedzi, która stanowi warstwe przewodzaca powierzchni zestyków slizgo¬ wych. Przyczepnosc metalizowanych powierzchni komutatorów i pierscieni slizgowych wykonanych tym sposobem jest jednak niewystarczajaca, po¬ lo 15 25 to niewaz warstwa miedzi musi byc zamocowana w wycieciach powierzchni czolowej. Komu¬ tatory wykonane z tworzyw sztucznych nara¬ zone sa na przedwczesne zuzycie wskutek wyste¬ pujacego iskrzenia szczotek obnizajacego trwalosc materialów z tworzyw sztucznych wraz ze wzro¬ stem temperatury. Stosowanie tego rodzaju me¬ talizowanych komutatorów jest niemozliwe w ma¬ szynach elektrycznych malej i najmniejszej mocy, w których wystepuje znaczne iskrzenie, zwiekszo¬ ne wskutek trudnosci w utrzymaniu dokladnego ruchu obrotowego i wywolujace zaklócenia radio¬ elektryczne w calym zakresie czestotliwosci stoso- sowanych do celów radiokomunikacji.Znane sa równiez komutatory, które skladaja sie z ceramicznych elementów ze zlobkami na ich powierzchni obwodowej, które metalizuje sie natryskowo, w celu wytworzenia warstwy przewo¬ dzacej. Ponadto znane sa komutatory ceramicz¬ ne, których zlobki na obwodzie komutatora oraz kanaliki na powierzchni czolowej napelnia sie na¬ tryskowo stopem aluminiowym, a nastepnie po¬ wierzchnie slizgowe pokrywa sie galwanicznie miedzia. Wada tych konstrukcji jest koniecznosc formowania przed wypaleniem ksztaltek ceramicz¬ nych o skomplikowanych ksztaltach.Znane sa komutatory wytwarzane z rury mie¬ dzianej, o odpowiedniej dlugosci i na obu kon¬ cach stoczonej na pewnym odcinku na mniejsza srednice, nastepnie ponacinanej wzdluz, przy czym 09 58569 585 4 utworzone jezyczki zostaja zgiete. Ponacinane pierscienie osadzone sa na trzonie kolektora i zwiazane z nim zywica fenolowa (bakelitem), a nastepnie pociete na dzialki. Równiez i ten spo¬ sób jest pracochlonny.Celem wynalazku jest ograniczenie przedwczes¬ nego scierania komutatorów, pierscieni slizgowych i innych zestyków slizgowych, przez pewne osadze¬ nie warstwy miedzianej oraz zapewnienie wyso¬ kiej dokladnosci ksztaltu obwodu zewnetrznego w celu zmniejszenia iskrzenia szczotek.Zadaniem wynalazku jest zmiana struktury ma¬ terialu nosnego oraz dobór wspólpracujacych z materialem nosnym innych tworzyw i zastosowa¬ nie wlasciwych operacji technologicznych przy wyt¬ warzaniu komutatorów i pierscieni slizgowych.Rozwiazanie zadania technicznego polega na tym, ze na wykonanych ze spieku ceramicznego cylindrycznych elementach komutatorów lub pier¬ scieni slizgowych osadzony jest pirolitycznie hek¬ sagonalny wegiel smolisty, a nastepnie na nim w znany sposób jeden lub kilka metali. W zasadzie moga byc stosowane wszystkie materialy cera¬ miczne o budowie zwartej, które zapewniaja dobra przyczepnosc dla nakladanych warstw przewodza¬ cych. Specjalnie nadaja sie jednak krystaliczno- -mulitowe porcelany twarde zarówno ze wzgledu na dobre wlasnosci izolacyjne, jak równiez ze wzgledu na dobra przyczepnosc warstwy prze¬ wodzacej. Wytwarzanie komutatorów i pierscieni slizgowych wedlug wynalazku oparte jest na no¬ wej technologii umozliwiajacej trwale przylgniecie warstwy przewodzacej do podloza ceramicznego. W procesie obróbki cylindryczne elementy wykonu¬ je sie ze spieku ceramicznego, przy czym pobocz- nica ksztaltek jest dokladnie szlifowana znanym sposobem.Metalizacja powierzchni ceramicznej nastepuje w trzech operacjach, przy czym pierwsza z nich jest, selektywne trawienie buforowym roztwo¬ rem kwasu fluorowodorowego i nastepnie pluka¬ nie w wodzie zdejonizowanej, druga operacja jest pirolityczne osadzenie wegla smolistego w prózni w temperaturze 1 000°C az do uzyskania opornosci powierzchniowej okolo 10 do 50 Q, zas trzecia ope¬ racja jest, nalozenie na drodze elektrolitycznej jed¬ nego lub kilku metali az do uzyskania grubosci wystarczajacej do szlifowania. Zamiast metalizo¬ wania elektrolitycznego ceramicznych elementów komutatorów i pierscieni slizgowych, dla których podloze stanowi warstwa wegla jako warstwa prze¬ wodzaca, moze byc równiez stosowane naparo¬ wywanie prózniowe metalami lub ich stopami, metalizacja w prózni za pomoca napylania ka¬ todowego, naszczotkowywanie metalem, wypalanie przewodzacej glazury, tak zwanych warstw Cer- mefa, lub tez wypalanie organicznie zwiazanych past przewodzacych. Wytworzone w ten sposób warstwy elektrycznie przewodzace zostaja nastep¬ nie wzmocnione (pogrubione) sposobem hydro¬ chemicznym, to znaczy przez zastosowanie po¬ krycia galwanicznego elektrolitycznego lub gal- wanizacji bezpradowej, az do uzyskania grubosci metalu zgodnej z wymaganiami. Dalsze wzmoc¬ nienie przewodzacej warstwy cylidrycznych ele¬ mentów komutatorów i pierscieni slizgowych pole¬ ga na pocynowaniu i nastepujacym po nim naluto- wywaniu dopasowanych tulei metalowych: Dla za¬ pewnienia dobrego styku z przewodami, uzwojenia 5 w czolowej plaszczyznie cylindrycznego elementu komutatora ceramicznego, jeszcze w stanie gdy tworzywo ceramiczne jest obrabiane, wykonuje sie odpowiednie wglebienia w ilosci odpowiadajacej ilosci przewodów uzwojenia.Wynalazek bedzie przykladowo wyjasniony na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia 3-wycinkowy komutator w przekroju, a fig. 2 przedstawia pierscien slizgowy przed metalizacja w widoku perspektywicznym.Szlifowany, cylindryczny korpus 1 wykonany z krystalicznej twardej porcelany mulitowej jest selektywnie wytrawiony w buforowym roztworze kwasu fluorowodorowego, wskutek czego stosunko¬ wo latwo usuwa sie faze szklista i znajdujace sie w czerepach czastki kwarcu, podczas gdy nieroz¬ puszczalne skladowe krysztalów mulitu na po¬ wierzchni pozostaja nienaruszone.W zadnym przypadku trawienie nie moze byc prowadzone tak dlugo by mulit krystaliczny zo¬ stal oddzielony od struktury podloza. To uzyskuje sie przy wlasciwym zastosowaniu buforowego roz¬ tworu trawiacego, przy którym czynna koncentrat eja kwasu fluorowodorowego jest utrzymana przez caly czas trawienia dzieki zachowaniu równowagi chemicznej. Miara oddzialywania trawiacego jest w tym przypadku latwosc pomiaru wielkosci cza¬ su trawienia. Po wytrawieniu powierzchnia cera¬ miczna przedstawia jednolita strukture niezorien¬ towanych krysztalów mulitu, który jest idealnym podlozem o duzej przyczepnosci dla nakladanych warstw. Przy trawieniu buforowym roztworem kwasu fluorowodorowego nie wystepuje w zadnym przypadku pekanie powierzchni, natomiast przy trawieniu selektywnym pekniecia zawieraja sie w granicach od 10-4 do 10-8 mm. Pozostalosci pro¬ cesu trawienia latwo daja sie usunac za pomoca intensywnego plukania w zdejonizowanej wodzie.Wytrawiony cylindryczny korpus 1 pokrywa sie nastepnie w piecu prózniowym naweglajacym przy cisnieniu okolo 10 mm slupa rteci i okolo 1000°C, warstwa wegla smolistego 2 az do uzyskania opor¬ nosci powierzchniowej od 10 do 50 omów. Wegiel smolisty stanowi odmiane grafitu i sklada sie z mikro-krysztalów o srednicy powierzchni podsta¬ wowej okolo 30 AE. Wlasciwoscia wegla smoliste¬ go jest wyjatkowo dobra przyczepnosc do trawio¬ nej porcelany twardej. Jako srodki naweglajace stosuje sie weglo.wodory parafinowe wprowadzane do goracego pieca prózniowego, gdzie zachodzi na¬ stepujaca reakcja Cn + H2n+2 2 nC + n+i H2 Szybkosc naweglania powinna byc podniesiona do takiego poziomu, który zapewnia calkowita krystalizacje wegla grafitowego. W procesie tym cylindryczny korpus 1 otrzymuje dobrze przylega¬ jaca i dobrze przewodzaca prad nakladke. Pokry¬ cie elektrolityczne na wewnetrznej stronie korpu¬ su 1 nie jest wymagane i dlatego powierzchnie 15 20 25 80 85 40 45 50 55 6069 5 czolowe korpusu szlifuje sie az do uzyskania bia¬ lego koloru (zabielenia), dzieki czemu utrzymuje sie elektryczne odizolowanie warstwy nalozonej.Aby umozliwic metalizacje elektrolityczna, warst¬ we zewnetrzna korpusu 1 laczy sie ze zródlem pradu. Za pomoca zwyklej metalizacji elektroli¬ tycznej mozna nalozyc dobrze przylegajace war¬ stwy metalu 3, az do uzyskania zadanych gru¬ bosci. Jakkolwiek w zasadzie mozna nakladac wszystkie zgodnie z przeznaczeniem metale (z wy¬ jatkiem metalizacji posrednich Wynikajacych z szeregu napieciowego metali) przede wszystkim za¬ leca sie miedz, nikiel, srebro i inne lub stopy.W celu wykonania komutatora nacina sie wzdluz osi na powierzchni metalizowanego cylindryczne¬ go korpusu 1 odpowiednia ilosc zlobków 4 az do warstwy ceramicznej. Wskutek usuniecia metalu 3 i warstwy wegla 2 powstaja wycinki komutatora.Zadane dlugosci komutatorów uzyskuje sie tnac pokryty metalem pret ceramiczny pila diamento¬ wa. Wewnetrzna srednica komutatora i pierscienia slizgowego moga byc utrzymane w waskich tole¬ rancjach. Umozliwia to naklejanie komutatora na os wirnika 5 maszyny elektrycznej. Przy malych komutatorach i pierscieniach slizgowych mozna konce uzwojenia przylutowac wzglednie punktowo przyspawac w poblizu powierzchni slizgowo-sty- kowej. Przy wytwarzaniu pierscieni slizgowych u- nika sie koniecznosci nacinania pierscienia wzdluz osi, natomiast konieczne jest podzielenie korpusu cylindrycznego poprzecznie wzgledem osi. Ponie¬ waz przy duzych pierscieniach jest to operacja kosztowna, podzielenie cylindrycznego korpusu 1 na pierscienie mozna latwo przeprowadzic przed wypaleniem tworzywa ceramicznego.Trawienie, naweglanie i nakladanie metalu prze¬ biega w sposób wyzej opisany, przy czym rów¬ niez i tu dzieki szlifowaniu powierzchni czolowej metalizuje sie elektrolitycznie tylko powierzchnie slizgowe. Dla zapewnienia prawidlowego polaczenia konców uzwojenia wykonuje sie w wiekszych ko¬ mutatorach i pierscieniach slizgowych w stanie miekkim przed wypaleniem naciecia 6 w ilosci odpowiadajacej ilosci konców uzwojenia, dzieki czemu zapewniony jest bezposredni styk z po¬ wierzchnia slizgowa. Podczas gdy powierzchnie czolowe cylindrycznego korpusu 1 sa zeszlifowane przed metalizacja, pozostala warstwa wegla smo¬ listego 2 zapewnia metalizacje naciecia 6. Konce uzwojenia, które mozna latwo polaczyc z powierz¬ chnia stykowa zwyklym sposobem, maja ponadto duza wytrzymalosc na przyspieszenia odsrodkowe.Oczywiscie mozna równiez stosowac inne sposoby ksztaltowania ceramiki, jak na przyklad odlewanie wtryskowo, wytlaczanie i wtryskiwanie na gora¬ co.Komutatory i pierscienie slizgowe wykonane we¬ dlug wynalazku jak równiez sposoby ich wytwa¬ rzania, róznia sie istotnymi cechami od zwyklych sposobów wytwarzania i zwyklych konstrukcji oraz charakteryzuja sie wieloma zaletami. Komutatory i pierscienie wykonane wedlug wynalazku nie za¬ wieraja zadnych materialów organicznych, które maja ograniczona obciazalnosc ze wzgledów ter¬ micznych. Przez wprowadzenie spieków ceramicz- 585 6 nych osiaga sie, obok optymalnej trwalosci ksztal¬ tu, znakomita izolacyjnosc polaczona z wlasnos¬ ciami hydrofobowymi. Przy pomocy prostej tech¬ nologii wykonawczej mozna wytwarzac komuta- 5 tory i pierscienie slizgowe w wielkich ilosciach 0 jednakowych parametrach, przy czym koszty wytwarzania sa bardzo niskie. Dzieki duzej wy¬ trzymalosci mechanicznej metalicznych powierzch¬ ni slizgowych znajdujacych sie na najweglanej ,0 porcelanie twardej mozliwe jest wykonanie ma¬ lych silników o srednicy kilku milimetrów. Za¬ stosowanie wynalazku zmniejsza lub usuwa wady dotychczas znanych komutatorów i pierscieni sliz¬ gowych polegajace na iskrzeniu, scieraniu, zlej tm wytrzymalosci izolacyjnej, malej zywotnosci i nie- 15 zawodnosci.Wynalazek znajduje zastosowanie równiez do konwencjonalnych zestyków slizgowych. Dzieki mozliwosci dokladnej i jednoczesnie oszczednej ob¬ róbki ceramicznych materialów spiekanych, po¬ krywania weglem smolistym i metalizacji elek¬ trolitycznej uzyskuje sie optymalnie równomierny ruch obrotowy powierzchni slizgowych, co jest jed¬ noznaczne z wydatnym zmniejszeniem iskrzenia.Niepozadane zaklócenia wielkiej czestotliwosci, zwlaszcza w urzadzeniach radiokomunikacyjnych, sa dzieki temu znacznie mniejsze, a koszty zwia¬ zane z ich calkowitym usunieciem sa takze znacz¬ nie nizsze. 30 PL