WO1999035720A1 - Anordnung zur übertragung elektrischer signale und/oder energie - Google Patents

Anordnung zur übertragung elektrischer signale und/oder energie Download PDF

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    • H01R39/22—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush characterised by the material thereof incorporating lubricating or polishing ingredient

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for transmitting electrical signals and / or energy between mutually movable units by means of a sliding contact arrangement.
  • Sliding contacts are preferably used for the transmission of electrical signals between units that move relative to one another. These are also known under the name of grinding tracks in the case of a linear movement or slip rings in the case of a circular movement.
  • Such mechanical contact systems are characterized by simplicity and high robustness. Different contact pairs are available for a wide range of applications, depending on the environmental conditions of the contact speed and the electrical signals. If a long service life is required at high speeds or high speeds in the case of slip rings, contact pairs are used almost exclusively, in which at least one partner contains a combination of silver and graphite. The silver mainly acts as a mediator for good contact and the graphite for lubrication. As experiments have shown, such a silver-graphite brush can achieve excellent signal quality on a full silver track. Contact resistance and contact noise are particularly long-term stable and low. The disadvantage of this arrangement is the high cost. These have a particular effect on large slip rings or slideway arrangements, since the slideways must be made of solid silver. If a cheaper contact material, such as brass or copper, is used for cost reasons, the transmission properties will be significantly impaired. The contact resistances and the contact noise can be up to two orders of magnitude worse than in the silver arrangement.
  • a known method for solving this problem is the use of solid brass sheets, which are provided with a silver contact surface. Silvering can take place here by mechanical application of a silver layer or else electrochemical treatment. The disadvantage of such an arrangement is the relatively thin silver coating. This can be worn away in a short time with heavy use, the remaining brass sheet then has very poor transmission properties.
  • the transmission properties of such sliding contacts are usually characterized by a number of electrical parameters.
  • the contact resistance is particularly important when transmitting large currents. This should be very low, preferably in the range of a few m ⁇ .
  • Contact noise is also important for smaller signal levels, such as those that occur with measurement and sensor signals. Such noise occurs during the movement of the contacts due to mechanical vibrations, changing the contact point and additional borrowed from small arcs that can burn between the two contact electrodes. Low contact noise is particularly important for good signal quality.
  • the object of the invention is to provide an arrangement for transmitting electrical signals and / or energy between mutually movable units by means of galvanic contacts and in particular a sliding contact arrangement, which on the one hand offers a long service life and reliability, even at high contact speeds, and on the other hand offers excellent signal transmission quality.
  • At least one of the contacts has a base material with high mechanical stability, in which a second material is embedded, which has good electrical properties with regard to the transmission of electrical signals and / or energy.
  • the second material is distributed in the base material such that at least one further contact touching this contact is in contact with the second material on most of the trajectory of the movement.
  • the invention thus combines the advantages of two different contact materials, such as steel, brass or copper and silver.
  • the base material which is abrasion-resistant and inexpensive, serves as the carrier of the arrangement and the second material, which has good electrical properties, as the contacting material al. Through this a particularly high transition quality can be achieved.
  • the contact consisting of a base material with embedded second material can be a sliding track, for example a slip ring, or a contact brush.
  • the second material can be dispersed in the surface of the base material; alternatively or additionally, the base material can have at least one recess in which the second material is embedded.
  • This cutout can be, in particular, a dovetail-shaped groove, since the form-fit thus results in a particularly good connection between the two materials.
  • the recess extends at least in sections at an angle to the grinding direction and in particular in an undulating manner.
  • the second material can be in the form of several islands, i.e. externally separated contact areas, or embedded in the form of a web in the base material.
  • the recess varies in its course or in its shape perpendicular to the grinding direction in such a way that traces of the second material are rubbed into the base material by touching the sliding contact connection.
  • the smallest particles of the second material with the good electrical properties are rubbed into the surface of the base material, ie the solid contact path, and remain embedded in the surface as a highly conductive coating.
  • the contact noise and the contact resistance of the entire arrangement are significantly improved.
  • the second material is selected so that it is softer than the base material. This makes it particularly easy to insert into the surface of this material.
  • At least one contact element is mounted with play perpendicular to a main grinding direction. Due to the small additional movements of the brush transversely or obliquely to the main axis of movement, the second contact material can be better distributed over the contact path from the base material. This can be done in a particularly simple manner by means of suspension or storage with high tolerances that permit a stroke or a bearing play. Of course, this can also be done by specifically controlling the movement, by guiding the contacts following a predetermined trajectory.
  • the path of the second material is designed in a shape that deviates from the main path of movement of the arrangement. This can be a spiral path, for example.
  • a brush which preferably contains a conductive material and a lubricating material and a contact track made of a preferably highly conductive material makes no difference whether these components are interchanged, ie a brush made of an electrically highly conductive material on a contact path, which is a combination of a conductive and a lubricating material such as silver and graphite.
  • the arrangement according to the invention would apply to the brush, which now contains two differently conductive materials.
  • Fig. 1 shows an arrangement according to the invention
  • Fig. 2 shows an arrangement with a wavy path of the second contact material
  • FIG. 1 shows an arrangement according to the invention, consisting of a first contact partner which on the one hand contains a base material or a first material (1) with good mechanical properties and a small amount of a second material (2) with good electrical properties.
  • the second material is located in a groove designed as a dovetail.
  • a second contact partner (3) which can be, for example, a brush consisting of silver and graphite, is included.
  • the brush is made of silver and graphite or the track itself is made of such a material and a brush is made from the contact partners described above.
  • Fig. 2 shows an arrangement consisting of a first contact material (1) and a web of a second contact material (2), which is laid in a wave shape in this, so that a better distribution of this contact material in the entire surface, in particular the first material ( 1) results.

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Abstract

Beschrieben wird eine Anordnung zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten mittels galvanischer Kontakte und insbesondere einer schleifenden Kontaktanordnung. Die erfindungsgemässe Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens einer der Kontakte ein Grundmaterial mit hoher mechanischer Stabilität aufweist, in das ein zweites Material eingelagert ist, das gute elektrische Eigenschaften bezüglich der Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie besitzt, und dass das zweite Material derart in dem Grundmaterial verteilt ist, dass mindestens ein diesen Kontakt berührender weiterer Kontakt auf dem größten Teil der Trajektorie der Bewegung in Kontakt mit dem zweiten Material steht.

Description

Anordnung zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten mittels einer schleifenden Kontaktanordnung.
Stand der Technik
Zur Übertragung elektrischer Signale zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten werden bevorzugt Schleifkontakte eingesetzt. Diese sind auch unter dem Namen Schleifbahnen im Falle einer linearen Bewegung oder Schleifringe im Falle einer kreisförmigen Bewegung bekannt.
Derartige mechanische Kontaktsysteme zeichnen sich durch Einfachheit und hohe Robustheit aus. Für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete stehen in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen der Kontaktgeschwindigkeit sowie den elektrischen Signalen unterschiedliche Kontaktpaarungen zur Verfügung. Wird bei hohen Geschwindigkeiten bzw. hohen Drehzahlen im Falle von Schleifringen eine lange Lebensdauer gefordert, so kommen fast ausschließlich Kontaktpaarungen zum Einsatz, bei denen zumindest ein Partner eine Kombination aus Silber und Graphit enthält. Hierbei wirkt das Silber überwiegend als Vermittler eines guten Kontaktes und das Graphit zur Schmierung. Wie Versuche gezeigt haben, läßt sich mit einer solchen Silber-Graphit- Bürste auf einer Vollsilberbahn eine hervorragende Signalqualität erreichen. Übergangswiderstände und auch Kontaktrauschen sind hier besonders langzeitstabil und niedrig. Nachteilig bei dieser Anordnung sind die hohen Kosten. Diese wirken sich besonders bei großen Schleifringen oder Schleifbahnanordnungen aus, da hier die Schleifbahnen aus massivem Silber gefertigt werden müssen. Wird aus Kostengründen auf ein preiswerteres Kontaktmaterial, wie Messing oder Kupfer zurückgegriffen, so werden dadurch die Übertragungseigenschaften wesentlich verschlechtert. Die Übergangswiderstände und das Kontaktrauschen können hier um bis zu zwei Größenordnungen schlechter als in der Silberanordnung sein.
Ein bekanntes Verfahren zur Lösung dieses Problems ist der Einsatz von massiven Messingbahnen, welche mit einer Kontaktoberfläche aus Silber versehen werden. Die Versilberung kann hier durch mechanischen Auftrag einer Silberschicht oder auch elektrochemische Behandlung erfolgen. Der Nachteil einer solchen Anordnung liegt in der relativ dünnen Silberauflage. Diese kann bei starker Beanspruchung in kurzer Zeit abgetragen sein, die dann verbleibende Messingbahn hat wieder sehr schlechte Übertragungseigenschaften.
Die Übertragungseigenschaften von solchen Schleifkontakten werden üblicherweise durch eine Reihe elektrischer Parameter charakterisiert. Bei einer Übertragung großer Ströme ist der Übergangswiderstand besonders wichtig. Dieser sollte sehr niedrig, vorzugsweise im Bereich von einigen mΩ, liegen. Zu kleineren Signalpegeln hin, wie diese bei Meß- und Sensorsignalen auftreten, ist auch das Kontaktrauschen wichtig. Ein solches Rauschen tritt während der Bewegung der Kontakte durch mechanische Schwingungen, wechseln des Kontaktpunktes sowie zusätz- lieh durch kleine Lichtbögen, die zwischen den beiden Kontaktelektroden brennen können, auf. Für eine gute Signalqualität ist ein niedriges Kontaktrauschen besonders wichtig.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten mittels galvanischer Kontakte und insbesondere einer schleifenden Kontaktanordnung anzugeben, die einerseits eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit, auch bei hohen Kontaktgeschwindigkeiten und andererseits eine ausgezeichnete Signalübertragungsqualität bietet.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß weist wenigstens einer der Kontakte ein Grundmaterial mit hoher mechanischer Stabilität auf, in das ein zweites Material eingelagert ist, das gute elektrische Eigenschaften bezüglich der Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie besitzt. Das zweite Material ist derart in dem Grundmaterial verteilt, daß mindestens ein diesen Kontakt berührender weiterer Kontakt auf dem größten Teil der Trajektorie der Bewegung in Kontakt mit dem zweiten Material steht.
Die Erfindung kombiniert damit die Vorzüge zweier unterschiedlicher Kontaktmaterialien, wie z.B. Stahl, Messing oder Kupfer und Silber. Dabei dient das Grundmaterial, das abriebfest und preisgünstig ist, als Träger der Anordnung und das zweite Material, welches gute elektrische Eigenschaften besitzt, als Kontaktierungsmate al. Durch diese erfin- dungsgemäße Ausgestaltung läßt sich eine besonders hohe Übergangsqualität erzielen.
Der aus einem Grundmaterial mit eingelagertem zweiten Material bestehende Kontakt kann eine Schleifbahn beispielsweise eines Schleifrings oder eine Kontaktbürste sein.
Das zweite Material kann in der Oberfläche des Grundmaterials disper- giert sein; alternativ oder zusätzlich kann das Grundmaterial mindestens eine Aussparung aufweisen, in die das zweite Material eingebettet ist. Diese Aussparung kann insbesondere eine schwalbenschwanzförmige Nut sein, da sich so durch den Formschluß eine besonders gute Verbindung zwischen den beiden Materialien ergibt.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Aussparung zumindest abschnittsweise schräg zur Schleifrichtung und insbesondere wellenförmig verläuft.
Alternativ kann das zweite Material in Form mehrerer Inseln, d.h. äußerlich voneinander getrennter Kontaktbereiche, oder in Form einer Bahn in das Grundmaterial eingebettet sein.
In jedem Falle ist es jedoch von Vorteil, wenn die Aussparung in ihrem Verlauf oder in ihrer Form senkrecht zur Schleifrichtung derart variiert, daß durch die Berührung der Schleifkontaktverbindung Spuren des zweiten Materials in das Grundmaterial eingerieben werden. Durch das Schleifen der Kontakte werden kleinste Partikel des zweiten Materials mit den guten elektrischen Eigenschaften in die Oberfläche des Grundmaterials, d.h. der massiven Kontaktbahn hinein gerieben und verbleiben dort in die Oberfläche eingelagert als gut leitfähiger Belag. Damit wird die Leitfähigkeit und insbesondere das Kontaktrauschen sowie der Übergangswiderstand der gesamten Anordnung wesentlich verbessert.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das zweite Material so ausgewählt, daß es weicher als das Grundmaterial ist. Damit kann es besonders leicht in die Oberfläche dieses Materials eingebracht werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn mindestens ein Kontaktelement mit Spiel senkrecht zu einer Hauptschleifrichtung gelagert ist. Durch die kleinen zusätzlichen Bewegungen der Bürste quer oder schräg zur Hauptbewegungsachse kann sich das zweite Kontaktmaterial besser über die Kontaktbahn aus dem Grundmaterial verteilen. Dies kann auf besonders einfache Weise durch eine Aufhängung bzw. Lagerung mit hohen Toleranzen, die einen Schlag oder ein Lagerspiel erlauben, geschehen. Selbstverständlich kann dies auch durch eine gezielte Steuerung der Bewegung, durch eine einer vorgegebenen Trajektorie folgende Führung der Kontakte, erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die Bahn des zweiten Materials in einer von der Hauptbewegungsbahn der Anordnung abweichenden Form gestaltet. Dies kann beispielsweise eine spiralförmige Bahn sein.
Natürlich macht es bei der oben beschriebenen Kontaktanordnung aus einer Bürste, weiche vorzugsweise ein leitendes Material und ein schmierendes Material enthält sowie einer Kontaktbahn aus einem vorzugsweise gut leitenden Material, keinen Unterschied, ob diese Komponenten vertauscht werden, d.h. eine Bürste aus einem elektrisch gut leitenden Material auf einer Kontaktbahn, welche eine Kombination aus einem leitenden und einem schmierenden Material, wie z.B. Silber und Graphit, enthält. In diesem Falle würde die erfindungsgemäße Anordnung für die Bürste, welche nun zwei unterschiedlich leitende Materialien enthält, gelten.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung
Fig. 2 eine Anordnung mit einer wellenförmig verlegten Bahn des zweiten Kontaktmaterials
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, bestehend aus einem ersten Kontaktpartner, welcher einerseits ein Grundmaterial bzw. ein erstes Material (1) mit guten mechanischen Eigenschaften sowie eine geringe Menge eines zweiten Materials (2) mit guten elektrischen Eigenschaften enthält.
Zur besseren mechanischen Fixierung befindet sich das zweite Material in einer als Schwalbenschwanz ausgeführten Nut. Weiterhin ist ein zweiter Kontaktpartner (3), welcher beispielsweise eine Bürste bestehend aus Silber und Graphit sein kann, enthalten. Selbstverständlich macht es keinen Unterschied, ob bei dieser Anordnung die Bürste aus Silber und Graphit oder die Laufbahn selbst aus einem solchen Material besteht und eine Bürste aus den zuvor beschriebenen Kontaktpartnern realisiert wird. Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bestehend aus einem ersten Kontaktmaterial (1) sowie einer Bahn eines zweiten Kontaktmaterials (2), welche in diesem wellenförmig verlegt ist, so daß sich eine bessere Verteilung dieses Kontaktmaterials in der gesamten Oberfläche, insbesondere des ersten Materials (1) ergibt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Anordnung zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten mittels galvanischer Kontakte und insbesondere einer schleifenden Kontaktanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Kontakte ein Grundmaterial mit hoher mechanischer Stabilität aufweist, in das ein zweites Material eingelagert ist, das gute elektrische Eigenschaften bezüglich der Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie besitzt, und daß das zweite Material derart in dem Grundmaterial verteilt ist, daß mindestens ein diesen Kontakt berührender weiterer Kontakt auf dem größten Teil der Trajektorie der Bewegung in Kontakt mit dem zweiten Material steht.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Grundmaterial mit eingelagertem zweiten Material bestehende Kontakt eine Schleifbahn ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Grundmaterial mit eingelagertem zweiten Material bestehende Kontakt Bestandteil eines Schleifrings ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Grundmaterial mit eingelagertem zweiten Material bestehende Kontakt eine Kontaktbürste ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material in der Oberfläche des Grundmaterials dispergiert ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial mindestens eine Aussparung aufweist, in die das zweite Material eingebettet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung eine schwalben- schwanzförmige Nut ist.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung zumindest abschnittsweise schräg zur Schleifrichtung verläuft.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung wellenförmig verläuft.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material in Form mehrerer Inseln, d.h. äußerlich voneinander getrennter Kontaktbereiche in das Grundmaterial eingebettet ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material in Form einer Bahn angeordnet ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung in ihrem Verlauf oder in ihrer Form senkrecht zur Schleifrichtung derart variiert, daß durch die Berührung der Schleifkontaktverbindung Spuren des zweiten Materials in das Grundmaterial eingerieben werden.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kontaktelement mit Spiel senkrecht zu einer Hauptschleifrichtung gelagert ist.
1 . Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Spiel gelagerte Kontaktelement beim Schleifen der Schleifkontaktverbindung senkrecht oder schräg zur Hauptschleifrichtung geführt wird.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material derart ausgewählt wird, daß es weicher als das Grundmaterial ist.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial Stahl, Kupfer, eine Kupfer- oder eine Messinglegierung und das zweite Material Silber oder eine Silberlegierung ist.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifkontaktanordnung derart gestaltet ist, daß die Bewegung zwischen den beiden Kontaktteilen auf einer wechselnden oder unsymmetrischen Bahn erfolgt.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens ein weiterer Kon- kaktbereich aus Graphit vorgesehen ist, der die Schleifkontaktverbindung beim Schleifen schmiert.
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