CN111373605A

CN111373605A - 具有小且稳定的过渡电阻的电接触接口

Info

Publication number: CN111373605A
Application number: CN201880075443.3A
Authority: CN
Inventors: N.赖兴巴赫; P.凯斯鲍尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2020-07-03
Also published as: EP3682509A1; WO2019101588A1; EP3682509B1; US11444391B2; US20200373687A1; DE102017221071B4; DE102017221071A1

Abstract

本发明涉及一种具有小且稳定的过渡电阻的电接触接口，其具有至少两个相互作用以实现电接触的接触配合件(22、26)。根据本发明，在两个接触配合件(22、26)的一个中，在接触面(23)的区域中构造有结构化部，其从这个接触配合件(22)的接触面(23)的平面凸出，其中，结构化部在机械力的影响下变形，并且在对置的接触配合件(26)中引起形式为凹处(28、31)的相应的变形，其中，从平面凸出的结构构造为，使得即使当在对置的接触配合件中引起变形之后，两个接触面(23)的平坦的区域也不相互接触，从而迫使电流只通过在变形过程中形成的接触接口流动，从而精确定位电流转移面。

Description

具有小且稳定的过渡电阻的电接触接口

本发明涉及一种具有小且稳定的过渡电阻的电接触接口或者说电接触界面，其具有至少两个相互作用以实现电接触的接触配合件。

为了引导和分配电流而使用电接触配合件。在此，必须非常经常地将不同的导电体相互连接。这些连接部位必须设计为，使得在连接部位上的电压降在使用期限期间保持尽可能小。由此避免连接部位过热，所述过热可能损害待连接的导电体的电绝缘，或者当连接部位位于电气装置内部时，可能影响、损害或者也可能毁坏电气装置的功能。

此外，低的电压降确保了对电流的节能地分配和引导。在用于控制和影响电流的装置中可能存在若干连接部位。针对这种装置的示例例如可以是接通和切断电流的机械开关装置，或者也可以是用于控制异步电机的电子开关装置、例如软启动器。但这同样也可以是变流器或逆变器，它们产生具有可变的频率和电压的三相电流系统，以便适当地运行电机。

连接部位此外也必须这样实现，使得其在不断出现的由导体材料和表面涂层构成的组合中确保持续良好的电连接。

作为针对不同的连接部位的示例，图1示出了具有由两个固定开关件2、3和桥4构成的机械接触系统的电源部件或者说功率部件1，其例如使用在软启动装置中。软启动装置设计用于在三相电流网络中运行异步电机并且包含三个图1所示的结构组件。通过相应的连接轨5和6实现装置与三相电流网络的连接。

在电源部件1中，两个晶闸管反并联地布置。利用晶闸管，通过适当的控制执行电流控制，以便可以软启动或制动ASM。在此在晶闸管中形成的电损耗通过铝冷却体7、8、9从晶闸管中导出，以便避免晶闸管过热。两个晶闸管位于上方的冷却体7与两个下方的冷却体8、9之间并且在此是不可见的。

在启动之后，ASM位于静态的运行中。为了避免在该运行状态中的晶闸管中的电损耗，利用机械接触系统桥接晶闸管。机械接触系统由固定开关件2和3以及可运动的桥4构成，所述桥在桥接状态下置放在两个固定开关件2、3上并且将两个固定开关件传导地相互连接。如果应该借助晶闸管控制ASM，那么桥4通过在此未示出的驱动系统向上运动，从而使固定开关件2、3不再连接。晶闸管的桥接随即被消除。

因此，根据运行状态存在两个电流路径。电流路径“晶闸管控制”由铜连接轨6、连接部位10、铝连接器11、连接部位12(在此不可见)、冷却体7、晶闸管、冷却体8、9、连接部位13、铝连接器14、连接部位15、16和铜连接轨5构成。

电流路径“桥接”由铜连接轨6、连接部位10、铝连接器11、连接部位12(在此不可见)、冷却体7、连接部位17、铝连接器18、连接部位19、20、固定开关件3、固定开关件3与可运动的桥4之间的接触面、可运动的桥4、可运动的桥4与固定开关件2的接触面、连接部位15、16和铜连接轨5构成。因此，在电流路径内部存在多个连接部位。这在电流路径“桥接”内是具有材料配对“镀锡的铜和铝”的连接部位10、具有材料配对“铝-铝”的连接部位12(在此不可见)和17、具有成分“裸露的铜-铝”的连接部位19、20和具有三个成分“裸露的铜-铝-镀锡的铜”的连接部位15、16。

当前，所有连接部位都可能具有过大的过渡电阻，并且在多个依次相续的加热过程中所述过渡电阻会明显改变，方式为过渡电阻通常变大。因此，例如在连接部位10处，初始的过渡电阻为20μOhm。在多个加热过程之后，过渡电阻最大提高10倍，因此690A的测试电流导致该连接部位过热。连接部位15、16和19、20同样显示了过渡电阻的明显的增大，从而将可运动的桥4加热到过高的温度。连接部位17、13和12的过渡电阻也没有保持稳定并且增大。当没有使用晶闸管时，所有这些连接损耗已经在桥接的运行中导致电源部件的强烈升温，由此，开关频率大大降低。

三个电源部件的升温在此可能是非常不同的，因为所有连接部位不同地运行并且因此产生不一样多的损耗热量。

在出现高的启动电流的运行状态“晶闸管控制”中，连接部位13和12关于温度的不同表现也导致在连接部位上的非常不同的并且也很高的电损耗。由此，尽管存在对称的电流负载，但电源部件还是不同地变热。现在，通过适当修改冷却通道，可以使中间的电源部件比两个外部的电源部件保持略微更热，并且只通过温度传感器监测中间的电源部件。然而，由于连接部件的未定义的和不利的性能，不能实现针对该结构尺寸所计划的470A和570A的额定电流值，因为必须考虑到在电源部件和接触系统中的过高温度。

因此产生了如下问题，即这样改进在电流路径中出现的所有连接部位，使得过渡电阻从一开始很小，并且在装置运行的使用寿命中也只提高到一定的程度，或者几乎保持稳定。

已知的是，连接部位经常设计具有作为连接配合件的铜。在此既使用裸露的铜也使用镀锡的铜以及其组合。优选的是如下连接，在所述连接中，两个配对件由镀锡的铜构成，因为镀锡提供了防腐蚀保护并且基于锡的易变形性可以良好地补偿表面粗糙度或表面缺陷。因此形成更多可以导引电流的接触点。

在另外的连接变型方案中，连接配合件由镀银的铜和铝构成。所述连接优选在交变负载中使用，所述交变负载在连接部件上产生明显的温度改变。由此，在该配对中形成的边界层一再被破坏，从而使过渡电阻保持在可接受的范围内。由于形成了边界层，该组合不太适用于连续负载。

为了在铝与铜之间建立低欧姆的连接的另一措施是以定义的方式结构化的、放置在连接配合件之间的盘片。所述盘片在旋拧时以其结构穿过铝的电干扰氧化层，由此实现小的过渡电阻。

图2示出了这种AI弹性接触盘21。弹性接触盘21优选由铝制成并且不只进入连接配合件中，而且也在旋拧过程期间略微变形。为了使在此部分暴露的裸露的铝不氧化，对弹性接触盘21进行表面镀锡处理，从而使锡覆盖铝区域并且保护其以防空气氧化。针对正确的功能的前提条件是盘表面上的均匀的力引入，从而在更薄的连接配合件中，必须在螺钉和/或螺母下方放置4mm厚的钢盘。

用于连接铝与铜的另外的可能性是Cupal盘。该盘由两个形状配合地相互连接的盘构成，其中，一个盘由铝构成，并且另一个盘由铜构成。通过该结构应该避免接触面上的电化学过程。为了实现铝侧上的小的过渡电阻，两个铝面必须在旋拧之前去除氧化层。通常还事先涂覆接触油脂，从而没有氧气或其它的空气成分能够到达边界面并且引起新的氧化或腐蚀。

当在没有相应于AI弹性接触盘或Cupal盘的辅助器件的情况下连接两个铝配对件或者连接铝配对件与铜配对件时，为了建立电连接的另一可能性是，将氧化层从铝配对件上去除，并且随后立即给裸露的铝面涂油作为防氧化和腐蚀保护。例如可以机械地通过利用砂纸打磨或者刷掉而实现氧化层的去除。

由现有技术已知的用于具有小且稳定的过渡电阻的电接触接口的制造方法的缺点是高成本的和技术上高要求的制造。

因此，本发明所要解决的技术问题在于，以简单和廉价的方式方法实现具有小且稳定的过渡电阻的电接触接口。

根据本发明，该技术问题通过具有权利要求1的特征的电接触接口解决。有利的可以单独或相互组合地使用的设计方案和扩展设计是从属权利要求的主题。

根据本发明，该技术问题通过具有小且稳定的过渡电阻或者说接触电阻的电接触接口解决，所述电接触接口具有至少两个相互作用以实现电接触的接触配合件。本发明的特征在于，在两个接触配合件的一个中，在接触面的区域中构造有结构化部，所述结构化部从这个接触配合件的接触面的平面凸出，其中，结构化部在机械力的影响下变形，并且在对置的接触配合件中导致形式为凹处的相应的变形，其中，从平面凸出的结构构造为，使得即使当在对置的接触配合件中导致变形之后，两个接触面的平坦的区域也不相互接触，从而迫使电流只经由在变形过程中形成的接触接口流动，从而精确定位电流转移面或者说电流过渡面。

以如下方式解决待解决的技术问题，即两个接触配合件之一在接触面的区域中获得结构化部，其从接触面的平面凸出。此外，两个接触配合件之一设有表面镀锡。替代镀锡地，也可以在连接配合件之间放置薄的、在两侧镀锡的铜膜或者说铜箔。

根据本发明使用铝作为用于接触配合件的材料，因为铝比铜更廉价并且也更容易加工。此外，可以在廉价的挤压方法或者说挤压成型方法中制造相对复杂的型材。此外，铝具有比铜明显更小的比重，因此装置可以变得更轻。此外，铝与铜相比更大的弹性可以有助于更好地补偿机械应力，所述机械应力例如通过热膨胀、由于加热或通过制造公差形成。

通过根据本发明的接触接口，在两个或更多个接触配合件之间产生精确定义的电接触关系，其确保小且稳定的过渡电阻。这种较小的过渡电阻在温度改变的影响下由于负载变化应力只较少地改变。也可以实现机械相对复杂的具有多个电接触部位的结构组件。

通过在此建议的措施，在电流路径“桥接”中的欧姆损耗可以从大约400W下降为大约三分之一，欧姆损耗大部分由与平坦的接触面的接触部位处的电损耗构成。只有通过所述措施，才可以在该结构形式中实现470A和570A的装置额定电流。通过接触部位上的欧姆损耗的明显减小，可以明显降低在每个体积单位中产生的欧姆损耗功率，并且因此相应减小装置尺寸。可以在挤压方法中廉价地制造连接配合件。轻并且廉价的铝可以用作接触材料，可以在挤压方法中特别廉价和简单地制造所述接触材料。

备选地，一个接触面或两个接触面可以通过压印过程配设适当的、从接触平面凸出的结构。为了避免环境影响，在平坦的接触面中，所述接触面通常在拧紧或者说旋拧(螺钉)之前涂覆有接触油脂，所述接触油脂应该避免氧化并且由此避免过渡电阻的变差。在使用在此提出的、用于产生精确定义的接触面或电流转移面的结构时，涂油不是必要的，因为高的挤压压力气密地封闭连接部位。这尤其适用于以下情况，即两个接触配合件的一个设有表面镀锡，由此简化了制造。不需要其它的辅助器件、例如AI弹性接触盘，其中，这些器件也没有在具有较小直径的匹配尺寸中可供使用。

结构化部不只在由铝构成的接触配合件中减小过渡电阻，而且在应该连接没有问题的连接配合件(例如镀锡的铜导体)时也是如此。软的锡表面有利于形成电流转移点，因为所述锡表面可以更好地与表面不平坦性适配。由此，即使在平坦的接触表面中也实现了小的过渡电阻。利用根据本发明的结构化措施，过渡电阻在此也可以附加地减小大约10-20％。

本发明的出发点是如下构思，即在实际的平坦的接触面的情况下，电流转移只发生在较少的所谓接触点上，这些接触点在挤压力的影响下或多或少地随机产生，并且在加热时由于连接配合件随即出现的机械长度改变，接触点也发生移位或者可以在其它的部位上形成。在通常情况下，理论上可能的接触面是这样大的，使得在可借助旋拧施加的挤压力中，形成对于定义的接触关系和因此电流转移关系过小的压力。

两个接触面之一的根据本发明的结构化只使用了针对电流转移的理论上可用的接触面的约百分之一。因为旋拧的挤压力只可以作用在通过结构化预设的接触面上，所以在该处产生非常高的压力。形成具有小且稳定的过渡电阻的精确定义的接触关系，所述过渡电阻即使在温度改变的影响下由于负载变化应力也只较少地改变。

通过给在接触区域中设有结构化部的连接配合件镀锡，过渡电阻可以再次减小一些。

所述变形既在结构化部的区域中、也在形成于对置的接触配合件中的凹处的区域中产生表面增大和进而裸露的铝区域。软的锡贴靠在新形成的接触面上，并且保护裸露的铝区域以防氧化。这确保了连接的过渡电阻的稳定性。

另一重要的点是在装置运行期间获得作用到结构接触面上的挤压力和进而获得挤压压力。如果借助螺钉实施连接，那么必须在总螺钉长度中存在相应长的、机械上未被压紧的部分，从而使该部分可以产生一定的弹性作用，以便可以补偿热机械学的长度改变或接触结构的附加的沉降过程。

补充地或备选地，如果两个连接配合件是薄的，那么可以使用弹性元件、如弹簧圈，或者也可以使用柱体套筒，以便能够使用更长的螺钉。在薄的连接配合件中，必须补充地在连接配合件的外侧上设置压力盘，以便实现对结构接触面的均匀的力加载。

在此提出的根据本发明的具有小且稳定的过渡电阻的电接触接口提供紧凑并且廉价的装置。

在本发明的特别有利的设计方案中可以规定，两个接触配合件之一具有表面镀锡。

该设计方案的根据本发明的一种延续可以是，接触配合件由铝构成的挤压型材制造。

该设计方案的一种特别有利的延续可以是，接触配合件以电镀方式被镀锡。

该设计方案的另一根据本发明的构造可以规定，在两个接触配合件之间构造有在两侧镀锡的铜膜。

在本发明的特别有利的设计方案中可以规定，所述结构化部设计为连接条的形式。

该设计方案的根据本发明的一种延续可以是，所述结构化部设计为凸出部的形式。

根据本发明的具有小且稳定的过渡电阻的电接触接口优选具有两个接触配合件，其中，一个接触配合件在接触面的区域中具有结构化部，并且第二接触配合件在接触或接口形成之前具有平坦的面。结构化部例如可以以设计为具有梯形轮廓的连接条的形式，或者设计为从表面凸出的圆形的边缘，其通过例如利用冲头和锤子击打出凹处而形成。这些具有圆形边缘的凹处优选围绕用于电连接的通孔布置。

以下根据实施例以及根据附图详细阐述本发明的另外的优点和实施方案。在此：

图1以立体图示出了由现有技术已知的具有机械接触连接系统的电源部件，其例如在用于运行异步电机的软启动装置中使用；

图2以立体图示出了由现有技术已知的AI弹性接触盘；

图3以俯视图示出了根据本发明的第一接触配合件的第一实施例，其在与第二接触配合件接触之前在接触面的区域中具有结构化部；

图4以俯视图示出了根据本发明的第二接触配合件，其在与第一接触配合件接触之前具有平坦的接触面；

图5以俯视图示出了根据本发明的第一接触配合件，其在与第二接触配合件接触之后在接触面的区域中具有结构化部；

图6以俯视图示出了在与第一接触配合件接触之后的根据本发明的第二接触配合件；

图7以俯视图示出了根据本发明的第一接触配合件的第二实施例，其在接触之前在接触面的区域中具有第二结构化部；

图8以俯视图示出了按照图7的根据本发明的第一接触配合件，其在与第二接触配合件接触之后在接触面的区域中具有第二结构化部；

图9以俯视图示出了在与按照图8的第一接触配合件接触之后的根据本发明的第二接触配合件。

图1示出了具有机械接触连接系统的电源部件1，其例如在异步电机中使用。异步电机设计用于在三相电流网络中运行，并且包含三个图1所示的结构组件。通过相应的连接轨5和6实现装置与三相电流网络的连接。

在电源部件1中反并联地布置有两个晶闸管。利用晶闸管，通过适当的控制来进行电流控制，以便可以软启动或制动ASM。在此在晶闸管中形成的电损耗通过铝冷却体7、8、9从晶闸管中导出，以便避免晶闸管过热。两个晶闸管位于上方的冷却体7与两个下方的冷却体8、9之间，并且在此是不可见的。

图2示出了由现有技术已知的AI弹性接触盘21。AI弹性接触盘21优选由铝制成并且不只进入连接配合件中，而且在旋拧过程期间也有些变形。为了使在此部分暴露的裸露的铝不氧化，对弹性接触盘21进行表面镀锡处理，因此锡覆盖铝区域并且保护其以防止空气氧化。

图3示出了根据本发明的第一接触配合件22的第一实施例，其在与第二接触配合件接触之前、在接触面23的区域中具有结构化部。接触配合件22优选是铝连接器。结构化部优选由具有类似梯形的外形的两个连接条24、25形成。高度是大约0.2mm，宽度从大约0.5mm改变到梯形底部处的大约1mm。连接条长度是大约15mm。因为铝连接器由挤压型材制成，所以连接条24、25可以特别简单地和成本中性地制造。优选对连接器进行电镀锡处理。

图4示出了根据本发明的第二接触配合件26，其在与第一接触配合件22接触之前具有平坦的表面27，该表面在与第一接触配合件22接触之后形成接触面23。如果参照图1，则图4示出了铝冷却体7(图1)上的对置的平坦的接触面27。优选利用螺钉M6旋拧到冷却体7中。拧紧力矩在此是大约10Nm。形成沿螺钉的纵轴线作用的大约3-5kN的力，该力将连接器的连接条24、25挤压到冷却体7上。在此，连接条24、25变形。

图5示出了第一接触配合件22，其在与第二接触配合件26接触之后在接触面23的区域中具有结构化部。通过旋拧使连接条24、25变形。通过连接条24、25的变形，表面和因此电流转移面增大。镀锡防止了在表面上存在在此裸露的铝。通过挤压力，连接条24、25在冷却体7中产生相应的凹处28，其伴随着在凹处区域中的表面增大(图6)。由此中断氧化层，并且镀锡的连接条24、25部分地与裸露的铝接触。

通过锡层的柔软性，凹处表面和因此裸露的铝部位被锡层覆盖，从而使铝部位不再可以氧化。为了该目的，5-10μm的锡层厚度已经是足够的。连接器的连接条24、25的高度被选择为，使得在连接条变形之后，并且在冷却体7中形成凹处28之后，两个接触面23的平坦的面也不相互接触，并且迫使电流流过在变形时形成的接触面28。两个变形的连接条24、25的接触面是大约2×15mm×0.9mm＝27mm²。利用M6螺钉产生沿螺钉的纵向方向作用的大约3000到5000N的力，该力传递至接触面。作用在电流转移面上的压强因此是大约p＝3000N/27mm²到5000N/27mm²＝111N/mm²到185N/mm²。

当不存在结构时，理论上的接触面积、即两个连接配合件理论上可能相互接触的面积是大约20mm×15mm＝3000mm²，并且因此比在连接条表面上的真正用于引导电流的接触面积大了大约100倍。因此通过比在平坦接触面和理想接触关系的情况下明显更小的面进行电流转移。

尽管只有很小的、通过结构化部定义的接触面参与引导电流，但连接部位的过渡电阻是非常小的。过渡电阻在大约5-10μOhm的范围内变动，并且因此比没有结构化部时的过渡电阻小2-20倍。过渡电阻尤其在适当的结构化部中只具有很小的变化。

业已证明结构化部的正面影响也在于，过渡电阻在变化负载和连续负载中只还较少地提高到大约10-20μOhm，并且随后保持稳定。在大约3000到5000个温度周期之后，从起始温度Tstart＝40℃开始，通过连接部位处的大约80K的温度升高来达到稳定状态。相反地，借助两个接触面之一的在此示例性示出的结构化部产生精确定义的接触关系，利用所述接触关系可以实现小且稳定的过渡电阻。在电流路径“桥接”中的欧姆损耗因此可以从大约400W下降到大约130至150W。因此在该结构形式中可以实现470A和570A的装置额定电流。

图6示出了在与第一接触配合件22接触之后的第二接触配合件26，其中，现在通过旋拧在铝冷却体7中形成凹处28。

图7示出了根据本发明的第一接触配合件22的第二实施例，其在接触之前在接触部位23的区域中具有第二结构化部。围绕用于旋拧螺钉的通孔29，优选利用冲头开设尤其是火山口形的凸出部30。

图8示出了根据图7的第一接触配合件22，其在与第二接触配合件接触之后在接触面23的区域中具有第二结构化部。通过旋拧压平了火山口形结构的边缘。

图9示出了在与根据图8的第一接触配合件22接触之后的根据本发明的第二接触配合件26。与第一实施例类似地，在这个与第一接触配合件22对置地定位的第二接触配合件26中，火山口形结构的边缘产生了相应的凹处31。

替代对两个接触配合件22、26之一进行镀锡，可以将两侧被镀锡的铜膜置于接触面23之间。铜膜同样实现了覆盖，并且因此保护变形的接触结构的表面和在对置的连接配合件中形成的凹处31的表面。

如果接触配合件由铝和铜构成，那么所述结构也可以安设在铜中。由于铜的更高的机械强度，所以螺纹连接的沉降现象较小。

此外，多于两个的接触配合件可以相互旋拧或者说螺纹连接，即堆叠结构是可行的。各个连接配合件的接触面必须这样配设有结构，使得在两个对置的接触面中总是有至少一个结构是起作用的。

根据本发明的具有小且稳定的过渡电阻的电接触接口的特征在于其简单和廉价的制造过程。

附图标记清单

1 电源部件

2 固定开关件

3 固定开关件

4 桥

5 连接轨

6 连接轨

7 冷却体

8 冷却体

9 冷却体

10 连接部位

11 铝连接器

12 连接部位

13 连接部位

14 铝连接器

15 连接部位

16 连接部位

17 连接部位

18 铝连接器

19 连接部位

20 连接部位

21 AI弹性接触盘

22 接触配合件

23 接触面

24 连接条

25 连接条

26 接触配合件

27 面

28 凹处

29 通孔

30 火山口形的凸出部

31 凹处

Claims

1.一种具有小且稳定的过渡电阻的电接触接口，具有至少两个相互作用以实现电接触的接触配合件(22、26)，其特征在于，在两个接触配合件之一(22)中，在接触面(23)的区域中构造有结构化部，所述结构化部从这个接触配合件(22)的接触面(23)的平面凸出，其中，所述结构化部在机械力的影响下变形并且在对置的接触配合件(26)中引起形式为凹处(28、31)的相应的变形，其中，从平面凸出的结构构造为，使得当在对置的接触配合件中引起变形之后，两个接触面(23)的平坦的区域也不相互接触，从而迫使电流只通过在变形过程中形成的接触面流动，从而精确地定位电流转移面。

2.根据权利要求1所述的电接触接口，其特征在于，两个接触配合件(22、26)之一具有表面镀锡。

3.根据权利要求1或2所述的电接触接口，其特征在于，所述接触配合件(22、26)由铝构成的挤压型材制造。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电接触接口，其特征在于，所述接触配合件(22、26)以电镀方式被镀锡。

5.根据权利要求1所述的电接触接口，其特征在于，在两个接触配合件(22、26)之间构造有在两侧被镀锡的铜膜。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电接触接口，其特征在于，所述结构化部构造为连接条的形式。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的电接触接口，其特征在于，所述结构化部构造为凸出部的形式。