Schleifringkörper zur kontinuierlichen Stromübertragung

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft Schleifringkörper für Schleifringübertrager zur kontinuierlichen Stromübertragung und ein galvanisches Verfahren zu deren Herstellung.

Rotierende Stromübertrager mit Kontaktsystemen aus Edelstahl oder Edelmetallbeschichtun- gen finden vorwiegend dann Verwendung, wenn hohe Anforderungen an die Güte (Spannungsschwankung während der Rotation) der Stromübertragung, Lebensdauer und Wartungsfreundlichkeit gestellt werden. Es wird zwischen Gleitkontakten mit und ohne Stromunterbrechung unterschieden:

^■ Gleichförmige Bewegung der Schleifkontakte über eine unterbrochene Schleifbahn (DC-Kleinstmotore)

^■ Gleiten des Abgreiferkontaktes unter Stromfluss über Kontaktsegmente zu einer neuen Ruhelage (Dreh-, Schiebeschalter)

^■ Gleichförmige Bewegung der Schleifkontakte über eine geschlossene Schleifbahn (Schleifringübertrager)

Typische Bauformen zur kontinuierlichen Stromübertragung sind zylindrische Schleifringübertrager oder flache übertragersysteme mit Leiterplatten. Das elektrische Lastspektrum reicht von der Daten- (<1A) bis zur Energieübertragung (100-500A). Zur übertragung höherer Ströme (>2A) werden je nach Anwendung mehrere Edelmetall-Schleifkontakte parallel auf einer Schleifbahn angeordnet. In Leitungstrommeln von Krananlagen, Schweißrobotern oder Generatoranwendungen in Windkraftanlagen können dadurch Lastströme bis zu 500 A übertragen werden.

Eine einfache Gold-Kobalt-Auftragung auf einem vernickelten Träger auf Kupfer-Basis weist Schwankungen im Spannungsabfall auf und stört somit die übertragungsgüte. Nach ungefähr 3 bis 5 Millionen Umdrehungen steigt der Spannungsabfall sehr erheblich an, so dass der Schleifringübertrager nicht mehr brauchbar ist.

Galvanische Schichtsysteme weisen wenigstens zwei unterschiedliche Schichten auf einem Träger auf. übliche galvanische Schichtsysteme zur Stromübertragung weisen auf einem Messingträger eine ungefähr 0,5 μm dicke Kupferschicht und eine darauf aufgebrachte 2 bis 5 μm dicke Nickelschicht auf, auf die wiederum eine Gold-Kupfer-Cadmium-Schicht in einer Stärke von 5 bis 15 μm aufgetragen wird. Mit diesem Schichtsystem wird gegenüber einfachen galvanischen Schichten auf einem Träger eine längere Lebensdauer erreicht. Allerdings wird dabei gegenüber einer einfachen Gold-Kobalt-Beschichtung ein deutlich erhöhter Spannungsabfall hingenommen. Hierzu kommt, dass Cadmium aus ökologischen oder gesundheitlichen Gesichtspunkten unerwünscht ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Spannungsabfall geringer und gleichmäßiger zu gestalten und die Lebensdauer des Systems weiter zu erhöhen.

Die Lösung der Aufgabe ist in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird die Schleifkontaktfläche auf einer harten Unterlage dünner als bisher üblich ausgeführt. Dies ermöglicht den Spannungsabfall mit bisher unerreichbarer Güte (Schwankungen im Spannungsabfall) bis 5 000 000 Umdrehungen auf einen konstanten Wert deutlich unter 0,5 V bei 2 A zu senken. Im weiteren Verlauf bis mindestens 10 000 000 Umdrehungen wird noch mindestens eine so gute Güte zu erzielt, wie sie bislang im Stand der Technik für die ersten 1 000 000 Umdrehungen erreichbar war.

Die Härte muss auf jeden Fall höher sein, als die Härte des bislang als Diffusionssperrschicht verwendeten Nickels. Platingruppenmetalle und mit Phosphor dotiertes Nickel weisen eine für die vorliegende Erfindung ausreichende Härte auf. Die erfindungsgemäßen Schleifringübertrager eigenen sich für alle Anwendungen der elektrischen Energie- und Datenübertragung für rotierende Systeme, insbesondere Windkraftanlagen, Roboter, Schweißroboter, Leitungstrommeln und Radaranlagen, für die allesamt ein fest verlegter Stromanschluss unbrauchbar wäre.

Vorzugsweise wird die Schichtdicke der Schleifkontaktfläche aus Gold oder aus einer Hartgold- Legierung maßgeblich reduziert. Erfindungsgemäß wird somit nicht nur eine erhebliche Reduzierung des Goldverbrauchs ermöglicht, sondern auch eine verlängerte Laufzeit. Dabei ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Reduzierung der je nach Anwendungsfall geeigneten Schichtdicke der Schleifkontaktfläche aus Gold oder Hartgold um mindestens 30 %, insbesondere um mindestens 50 %. Bewährt haben sich Schichtdicken von weniger als 10 μm, insbesondere 1 bis 5 μm, vorzugsweise 2 bis 3 μm, insbesondere bei Anwendung von Edelmetallschleiferdrähten aus Hera 277 (AuPdAg-Legierung). über 15 μm wird der Goldauftrag zunehmend unwirtschaftlich. Der Abrieb bestimmt in Bezug auf die Lebensdauer eine minimale Schichtdicke.

Die Schleifkontaktfläche einer Schleifkontaktbahn ist sinnvollerweise bahnförmig. Die Bahn kann axial auf der Oberfläche einer Scheibe oder radial auf der Außenseite eines Rings angeordnet sein.

Die Schleifkontaktfläche als Bahn auf einer Schleifkontaktscheibe ist sinnvollerweise scheibenförmig. Auf einer Scheibe lassen sich mehrere Bahnen radial nebeneinander anordnen. Für diese Ausführung haben sich Leiterplatten bewährt.

Die Schleifkontaktfläche als Bahn auf einem Schleifkontaktring ist sinnvollerweise ringförmig. Mehrere Ringe können axial auf einer Achse angeordnet werden.

Bewährt haben sich Schleifkontaktflächen aus einer Goldlegierung, die Kobalt oder Nickel aufweist. Geeignete Gold-Kobalt-Legierungen oder Gold-Nickel-Legierungen weisen 50 bis 99,8 Gew.-% Gold, 0,2 bis 20 Gew.-% Kobalt oder Nickel, 0 bis 30 % weitere Legierungsbestandteile auf. Als weitere Legierungsbestandteile eignen sich weitere Edelmetalle, Kupfer und Dotierungen mit Bor, Kohlenstoff, Silizium oder Phosphor.

Die stützende Basis, insbesondere eine auf einem vernickelten Träger angeordnete Zwischenschicht besteht aus einem harten , die Schleifkontaktfläche stützendem Material, insbesondere dem härtesten Material des Verbunds. Bewährt hat sich eine stützende Basis, insbesondere Zwischenschicht aus einem oder mehreren Platingruppenmetallen (PGM) oder Legierungen davon oder gehärtetem Nickel. Als untergeordnete Legierungsbestandteile eignen sich Nickel, Kobalt und Eisen und Dotierungen mit Bor, Kohlenstoff, Silizium oder Phosphor zur Einsparung von PGM. Bewährt hat sich eine galvanische Pd Abscheidung auf einem vernickelten Träger

aus einer Kupferlegierung beispielsweise Messing, Bronze oder CuZr. In begrenztem Umfang sind Platingruppenmetalle durch Eisenmetalle ersetzbar. Eine Dotierung mit B, C, Si, oder P erhöht die Härte.

Es hat sich weiterhin bewährt, auf einer Diffusionssperrschicht aus Nickel die härtere Zwischenschicht aufzutragen. Wird die Zwischenschicht aus mit Phosphor gehärtetem Nickel ausgeführt, können die Platingruppenmetalle eingespart werden. In einer bevorzugten Ausführung wird auf einem Kupfer basierenden Träger wie z.B. Messing eine Diffusionssperrschicht aus Nickel angeordnet. Auf der Nickel-Diffusionssperrschicht wird eine Zwischenschicht aus mit Phosphor gehärtetem Nickel aufgetragen. Auf dem gehärteten Nickel wird eine nickelhaltige Hartgoldschicht als Schleifkontaktfläche aufgetragen. Diese drei Schichten zeichnen sich durch ihre Unkompliziertheit aus. Nickeldiffusion spielt keine Rolle, da alle drei Schichten Nickel enthalten. Phosphordiffusion ist nicht bekannt.

Bewährt haben sich Zwischenschichten mit einer Schichtdicke unter 10 μm insbesondere 2 bis 7 μm und speziell 3 bis 4 μm.

Es hat sich bewährt, die Zwischenschicht dicker auszuführen als die Schleifkontaktfläche.

Vorteilhafterweise wird der elektrisch leitende Verbund aus Schleifkontaktfläche und der sie stützenden Zwischenschicht in einer Dicke zwischen 3 und 10 μm ausgeführt, insbesondere zwischen 4 und 8 μm und besonders vorteilhaft zwischen 5 und 7 μm.

Der elektrisch leitfähige Träger ist vorzugsweise eine Kupferlegierung. Bewährte Kupferlegierungen zur kontinuierlichen Stromübertragung enthalten Zink (Messing), Zinn (Bronze) oder Zirkonium.

Die stützende Basis kann durch eine dünne Schicht beispielsweise eine Diffusionssperrschicht oder einen Haftvermittler von der Schleifkontaktfläche getrennt sein. Es empfiehlt sich eine solche Schicht nicht über 1 μm Dicke auszuführen, da mit zunehmender Schichtdicke der dünnen Schicht die stützende Funktion der stützenden Basis beeinträchtigt wird.

Die Schleifkontaktfläche mit erfindungsgemäß gehärteter Unterlage findet Verwendung als Oberfläche eines Schleifringübertragers (insbesondere in Windkraftanlagen oder Industrierobotern) zur übertragung von Steuersignalen, Steuer- und Generatorströmen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die Figuren verdeutlicht.

Figur 1 zeigt den Spannungsabfall in Abhängigkeit der Umdrehungen für die erfindungsgemäße Schleifkontaktfläche;

Figur 2 zeigt ein Oszillogramm zu Beginn der erfindungsgemäß rotierenden Stromübertragung;

Figur 3 zeigt ein Oszillogramm nach 4 000 000 Umdrehungen;

Figur 4 zeigt ein Oszillogramm nach 10 000 000 Umdrehungen;

Figuren 5a und 5b zeigen Schleifringübertrager;

Figur 6 zeigt eine Versuchsanordnung zur Bestimmung des Spannungsabfalls und der Güte;

Figuren 7 bis 9 zeigen Vergleichsdiagramme zu Figur 1 ;

Figuren 10 bis 12 zeigen Vergleichsoszillogramme zu Figur 2;

Figuren 13 bis 15 zeigen Vergleichsoszillogramme zu Figur 3;

Figuren 16 bis 18 zeigen Vergleichsoszillogramme zu Figur 4;

Beispiele:

In einer einfachen Ausführung (Fig. 5b) ist ein Stromübertrager als Ring ausgebildet, wobei auf der Außenfläche des Rings die Schleifkontaktfläche angeordnet ist. Zur Herstellung eines solchen Rings werden auf der Außenseite eines Messing- oder Bronzerings galvanisch 2 μm Nickel abgeschieden und hierauf 5 μm Nickelphosphor. In der Nickel-Phosphor-Schicht ist das Nickel mit Phosphor dotiert und die Schicht dadurch bedeutend härter als die unter der Nickel- Phosphor-Schicht liegende Nickelschicht. Auf die mit Phosphor dotierte Nickelschicht werden galvanisch 4 μm einer Gold-Nickel-Legierung abgeschieden.

Gegenüber einem Schleifringübertrager ohne gehärtete Nickelschicht wird eine bessere Güte der Stromübertragung und eine höhere Verschleißbeständigkeit erreicht.

In einer weiteren Ausführungsform (Fig. 5b) wird ein Messingring auf seiner Außenseite galvanisch mit einer 4 μm Nickelschicht versehen. Auf diese Nickelschicht wird galvanisch eine 5 μm starke Palladiumschicht aufgetragen. Auf die Palladiumschicht wird eine galvanische Hartgoldlegierung aus Gold und Kobalt in einer Dicke von 5 μm aufgetragen. Der auf diese Weise erzeugte Stromübertrager wird in einer Anordnung gemäß Figur 7 ausgewertet. Die beiden Schleiferdrähte werden auf unterschiedlichen Spuren gefahren.

Versuchsparameter:

Elektrische Last: 24 V DC/2A/ohmsch,

Kontaktkraft: 2 bis 3 cN,

Federlänge: 45 mm,

Schleiferdraht: d = 0,5 mm,

Schleifringkörper: d = 60 mm,

Drehzahl: 300/min.,

Befettung: keine,

Anzahl der Umdrehungen: 10.000.000

Der Schleifkontakt besteht aus Hera 277 (AuAgPd-Legierung).

Im Oszillogramm nach Figur 1 ist der Spannungsabfall zu Beginn des Versuchs dargestellt. Im Oszillogramm nach Figur 2 ist der Spannungsabfall nach 4 Millionen Umdrehungen dargestellt und im Oszillogramm nach Figur 3 ist der Spannungsabfall nach 10 Millionen Umdrehungen dargestellt. In sämtlichen Oszillogrammen ist das Triggersignal als Rechteckimpuls aufgezeichnet. Die Nulllinie für das Spannungssignal ist immer die obere Linie des zweiten Kästchens von unten.

Der Spannungsabfall in Abhängigkeit der Umdrehungen ist im Diagramm nach Figur 1 dargestellt. Die gestrichelte Linie gibt den oberen Wert aus den Oszillogrammen wieder, die punktierte Linie den unteren und die durchgezogene Linie den Mittelwert.

Zum Vergleich werden nach Figur 5a drei Schleifringkörper mit 10 μm Schleifkontaktflächen aus AuCo, AuCuCd und Pd jeweils auf einem mit Nickel beschichteten Messingträger unter den

gleichen Versuchsbedingungen untersucht. Da die Schleifringkörper mit der AuCo- und der Pd- Schleifkontaktfläche keine 10 Millionen Umdrehungen aushielten, wurden Oszillogramme mit entsprechend geringeren Umdrehungen verglichen (Figuren 15, 16 und 18). Die Oszillogramme der Figuren 10, 13 und 16 sind mit einer AuCo-Schleifkontaktfläche erstellt, die Oszillogramme der Figuren 11 , 14 und 17 mit einer AuCuCd-Schleifkontaktfläche und die Oszillogramme der Figuren 12, 15 und 18 mit einer Pd-Schleifkontaktfläche.

Der Spannungsabfall in Abhängigkeit der Umdrehungen ist analog zu Figur 1 in den Figuren 7 bis 9 dargestellt.

Nächstes Ausführungsbeispiel:

Es lassen sich mehrere Schleifringkörper axial auf einer Achse stapeln. Damit sind mehrere Strompfade gegeben. Für die Anwendung von hohen Stromstärken werden mehrere Strompfade parallel geschlossen. In einer alternativen Anordnung lassen sich mehrere Schleiferbahnen radial auf einer Scheibe anordnen. In diesem Fall wird die Scheibe auf einer der Scheibenfläche analog beschichtet, wie dies zuvor für die Außenflächen der Ringe beschrieben ist.