专利名称：用于连续传输电流的滑环体的制作方法
用于连续传输电流的滑环体本发明涉及用于滑环传输器以连续传输电流的一种滑环体和制 造它的电镀方法。当对电流传输性能(旋转时的电压变化)、工作寿命和维修便利性 有高要求时，常常应用带有由不锈钢或贵金属附层制成的接触系统的 旋转电流传输器。其区分为带有电流断开的滑动触头和不带有电流断开的滑动触头"滑动触头在不连续的滑动导轨上均匀一致地运动(直流最小型发 电机)"在通电时，电刷触头滑过接触部分到达新的静止位置(转动开关、 滑动开关)"滑动触头在闭合的滑动导轨上均匀一致地运动(滑环传输器)用于连续传输电流的典型结构是圓柱形滑环传输器或带有印刷 电路板的平的传输器系统。电负载图镨显示了数据传输(<1 A)和能量传 输(100-500A)。为了传输更高的电流(〉2A),视应用情况而把多个贵金 属滑动触头平行地设置在滑动导轨上。在起重机的导线筒 (Leitungstrommeln)中、焊接机器人或风力发电站的发电机中，可以由 此传输高达500A的负载电流。在铜基上的镀镍基底上的筒单金钴覆层具有波动的电压降，并因 此影响传输质量。在大约3百万至5百万转后，电压降上升得非常明 显，使得滑环传输器不再可以使用。电镀的层次系统在基底上具有至少两个不同的层。通常用于传输 电流的电镀层次系统具有在黄铜基底上的大约0.5iiim厚的铜层和涂覆 在铜层上的2-5inm厚的镍层，在镍层上再次附着了 5-15pm厚的金铜镉层。与简单电镀层相比，在基底上使用该层次系统取得了更长的工 作寿命。但是，与简单的金钴附层相比，出现了明显升高的电压降。 此外，出于生态或卫生方面的原因，并不希望使用镉。本发明的目的在于，使电压降变得更小、更均匀，并进一步延长 系统的工作寿命。在独立权利要求中说明了该目的的解决办法。在从属权利要求中 说明了有利的实施例。根据本发明，滑动接触面应用在比目前通常所用的衬垫更薄的硬 村垫上。这使其可以获得至今无法取得的性能(电压降的变化)，而电压降在2A的条件下，直到5000000转时，其仍然落在明显低于0.5V 的恒定数值上。在进一步的运转中，即使到至少10000000转，仍然 可以获得至少和现有技术中在1000000转才可获得的性能一样好的性无论如何，硬度必须比迄今用作扩散阻挡层的镍的硬度高。铂族 金属和掺磷的镍具有对于本发明来说足够的硬度。根据本发明的滑环 传输器适用于所有用于旋转系统的电能传输和数据传输的应用，尤其 是风力发电站、机器人、焊接机器人、导线筒和雷达设备，这些系统 全都不能使用固定安装的电流接口 。优选地，由金或由硬金合金制成的滑动接触面的层厚明显减小。 因此，根据本发明，不仅可显著地减少金的用量，还可延长使用时间。适层厚减少了至少30%,特别地减少了至少50%。已经证明，层厚小 于lOinm,尤其是l-5pm，优选地是2-3pm——尤其是在使用由 Hera277(AuPdAg合金)制成的贵金属滑线时。超过15mhi时，金覆层 越来越不经济。而磨损决定与工作寿命有关的最小层厚。在合理的构造中，滑动接触轨道的滑动接触面可以是轨道形的。 轨道可以沿轴向地置在圆盘表面上或沿径向设置在环外侧。在合理的构造中，滑动接触圓盘上作为轨道的滑动接触面也可以 是圆盘形的。在圆盘上可以沿径向设置彼此相邻的多个轨道。已经证 明，印刷电路板适用于这种设计。在合理的构造中，滑动接触环上作为轨道的滑动接触面还可以是 环形的。多个环可以设置成在一条轴线上共轴。已经证明，滑动接触面由具有钴或镍的金合金制成。合适的金钴合金或金镍合金具有50-99.8%(重量)的金、0.2-20%(重量)的钴或镍、 0-30%(重量)的其它合金成分。这些其它合金成分可以是其它掺杂了 硼、碳、硅或磷的贵金属和铜。支持基部，具体地是设置在镀镍基底上的中间层，其由支持滑动 接触面的硬材料制成，尤其是由复合物(Verbund)的最硬的材料制成。 已经证明,支持基部，尤其是中间层，由一个或多个铂族金属(PGM)或 其合金或硬化的镍制成。用硼、碳、硅或磷掺杂的镍、钴和铁适于用 作下层合金成分，以节省PGM。已经证明，在由铜合金例如黄铜、青 铜或锆铜制成的镀镍基底上附有Pd的电镀层。在有限范围内铂族金 属可以由铁金属替换。而B、 C、 Si或P的掺杂提高了硬度。已经进一步证明，更硬的中间层附着在由镍制成的扩散阻挡层 上。如果中间层应用为由用磷硬化的镍，则可以节省铂族金属。在优 选实施例中，在铜基基底(例如黄铜)上设置了由镍制成的扩散阻挡层。 在镍扩散阻挡层上附着了由用磷硬化的镍所制成的中间层。在硬化的 镍上，附着有作为滑动接触面的含有镍的硬金层。这三层的优点在于 它们的不复杂性。镍扩散不起作用，因为所有这三层都包括镍。磷扩 散不是已知的。已经证明，中间层的层厚小于10pm，尤其是2-7pm,特别是 3-4,。已经证明，中间层实现成比滑动4妄触面厚。有利地，由滑动接触面制成的导电复合物和由其支持的中间层实现成厚度在3-10pm之间，尤其是在4-8|xm之间，而特别有利的是在 5-7pm之间。导电基底优选地是铜合金。已经证明的用于连续电流传输的铜合 金包括锌(黄铜)、锡(青铜)或锆。支持基部可以通过薄层例如扩散阻挡层或附着介质 (Haftvermittler)与滑动接触面分开。这样的层最好实现成厚度不超过 lpm，因为随着薄层层厚的增加，支持基部的支持功能会受影响。信号、控制电流和发电机电流的滑环传输器(尤其是在风力发电站或工 业机器人中)的表面。下面参考附图举例说明本发明。
图1显示了依赖于与根据本发明的滑动接触面的转数(Umdrehung) 有关的电压降；图2显示了在根据本发明的旋转式电流传输开始时的波形图； 图3显示了在4000000转之后的波形图； 图4显示了在10000000转之后的波形图；图5a和5b显示了滑环传糸叙器;图6显示了用于确定电压降和性能的试验装置； 图7至图9显示了对图1的比较图； 图10至图12显示了对图2的比较波形图 图13至图15显示了对图3的比较波形图 图16至图18显示了对图4的比较波形图在简单的实施例(图5b)中，电流传输器设计为环的形式，其中，滑动接触面设置在环的外表面上。为了制造这样的环，在黄铜环或青铜环的外侧电镀了 2pm的镍，然后又附着了 5pm镍磷。在镍磷层中， 镍掺有磷，由此该层明显地比位于镍磷层之下的镍层硬。在用磷掺杂 的镍层上，电镀有4pm的金镍合金。与不带硬化的镍层的滑环传输器相比，其具有更好的电流传输性 能和更高的耐磨性。在其它实施例形式(图5b)中，在黄铜环外面电镀有4(im的镍层。 在该镍层上电镀有5pm厚的钯层。在钯层上，电镀有5pm厚的由金 和钴组成的硬金合金。由该方式生成的电流传输器在根据图7的装置 中予以评估。这两个滑线行使在不同的轨迹上。试验参数:—电负载24VDC/2A/ohmsch， 才妻触力2-3cN, 弹簧长度45mm， 滑线d=0.5mm， 滑环体d=60mm， 转速300/min.， 润滑(Befettung):无， 转数10000000滑动触头由Hera277(AuAgPd合金)形成。在根据图1的波形图中，显示了在试验开始时候的电压降。在根 据图2的波形图中，表示在转了四百万转后的电压降，在根据图3的 波形图中，表示在转了一千万转后的电压降。在所有波形图中，触发 信号都记录为矩形脉冲。电压信号的零位线始终是从下面数第二个框 的上部的线。在根据图l的波形图中，显示了依赖于转速的电压降。短划虚线 反映了波形图中的最大值，打点虚线反应了波形图中的最小值，而实 线反映了波形图中的中间值。作为比较，根据图5a,三个滑环体各自带有10nm厚的AuCo滑 动接触面，AuCuCd滑动接触面和Pd滑动接触面，且每个都在用镍镀 膜的黄铜基底上，在相同的试验条件下试验。因为带有AuCo滑动接 触面的滑环体和Pd滑动接触面的滑环体不能经受住一千万转，所以 比较相应地较少转数的波形图(图15、 16和18)。图10、 13和16是使 用AuCo滑动接触面时的波形图，图ll、 14和17是使用AuCuCd滑 动接触面时的波形图，而图12、 15和18是使用Pd滑动接触面时的 波形图。依赖于转速的电压降在图7至图9中以类似于图1的方式显示。工.二企.实.逸.示.创.;......多个滑环体可沿轴向在同 一轴线上堆叠。由此提供多条电流通路。为了在高电流强度条件下使用，多条电流路径平行地闭合。在备 选的设置形式中，多个滑动导轨沿径向设置在圆盘上。在这种情况下， 圆盘在圓盘表面上附层，其方式类似于前文所述的圆环外表面附层的 方式。
权利要求
1.一种滑环体，其包括基底材料以及由金或金合金制成的滑动接触面，其特征在于，所述滑动接触面利用支持基部而稳定。
2. 根据权利要求1所述的滑环体，其特征在于，所述支持基部 比镍硬。
3. 根据权利要求1或2所述的滑环体，其特征在于，所述支持 基部是位于所述滑环接触面和所述基底之间的中间层。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的滑环体，其特征在于， 硬金包括镍或钴。
5. 根据权利要求4所述的滑环体，其特征在于，硬金合金包括 50-98%重量的金，0.02-20%重量的钴、镍或者钴和镍，以及0-30%重 量的其它合金成分，所述其它合金成分尤其是从铜、银、钇、柏、铑、 铱、釕、硼、,灰、石圭和石粦中选出。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的滑环体，其特征在于， 所述支持基部，尤其是所述中间层，基于一种或多种铂族金属，或者 由镍磷、即掺杂了磷的镍形成，或者由镍和镍磷组成的双层形成。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的滑环体的用途，其特征 在于，其应用于滑环传输器，尤其是在风力发电站或工业机器人中， 以传输控制信号、控制电流和发电机电流。
8. 根据权利要求1至6中任一项所述的滑环体的用途，其特征 在于，用于特定用途的金附层的层厚比迄今为止用于相应用途的最小 厚度最大减少70%,尤其减少10%至50%。
9. 一种用于制造滑环体的方法，所述滑环体用于连续传输电流， 其具有滑动接触面、导电基底和设置在所述基底和所述滑动接触面之 间的中间层，其中，所述中间层电镀在所述基底上，金或硬金电镀在 所述中间层上，其特征在于，所述中间层由比镍硬的材料形成。
全文摘要
本发明涉及一种滑环体及其应用，其中，该滑环体包括基底材料和由金或金合金制成的滑动接触面，并用支持基部固定滑动接触面，而滑环体用于滑环传输器(尤其是在风力发电站或工业机器人中)，以传输控制信号、控制电流和发电机电流。由此延长了工作寿命，提高了性能，获得了更小的电压降，并显著地节省了金。
文档编号H01R39/00GK101278449SQ200680036548
公开日2008年10月1日 申请日期2006年10月5日 优先权日2005年10月5日
发明者B·格勒特, R·波尔森 申请人:W.C.贺利氏股份有限公司