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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Widerstandsvorrichtung mit einem
Widerstandselement, das eine erste und eine zweite, gegenüberliegende Seite
aufweist, einem ersten Kontaktelement, das an die erste Seite des
Widerstandselements angebracht ist, einem zweiten Kontaktelement,
das an die zweite Seite des Widerstandselements angebracht ist und einer
Bohrung, die in dem ersten Kontaktelement zur Befestigung der Widerstandsvorrichtung
angeordnet ist. Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen
einer derartigen Widerstandsvorrichtung durch Bereitstellen eines
bandförmigen
Halbzeugs mit einem Mittelstreifen aus Widerstandsmaterial und zwei
an zwei gegenüberliegenden
Seiten des Mittelstreifens angebrachten Außenstreifen aus Kontaktmaterial,
Ausstanzen der Widerstandsvorrichtung aus dem Halbzeug im Wesentlichen
durch Schnitte quer zur Längsrichtung
des bandförmigen
Halbzeugs und Ausstanzen eines Befestigungslochs aus dem ersten
Kontaktelement.
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Die
Messung von elektrischen Strömen
erfolgt üblicherweise
durch Ermitteln des Spannungsabfalls über einen bekannten Widerstand
(ohmsches Gesetz). Die Genauigkeit der Strommessung ist somit direkt
von der Präzision
des eingesetzten Widerstands abhängig.
Daher sind geringe Änderungen des
Widerstandswerts über
die Lebensdauer, minimale Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts bzw.
geringe Thermospannungen wichtige Anforderungen an einen solchen
Präzisionswiderstand,
der auch als Shunt bezeichnet wird. Die in der Praxis für solche
Zwecke eingesetzten Widerstände
bestehen in der Regel aus speziellen Kupfer-Mangan-Nickel-Legierungen.
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Die
konstruktive Ausführung
derartiger Widerstände
ist von der jeweiligen Applikation abhängig. Für den Einsatz in Batteriesensoren
werden Präzisionswiderstände als
massive Strom schienen ausgeführt,
um die für
das Starten des Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs notwendigen hohen
Ströme
mit möglichst
geringen Verlustleistungen übertragen
zu können.
Ein positiver Nebeneffekt dieser massiven Bauweise ist die Einbeziehung
des Shunts in das mechanische Design als kraftübertragendes Element.
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Aus
der Druckschrift
DE
42 43 349 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Widerständen aus Verbundmaterial
bekannt. Dabei werden die Widerstände aus zwei bzw. drei Einzelteilen
aufgebaut: Der eigentliche Widerstand bestehend aus der speziellen Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung
sowie zur Anbindung an die Applikation einer oder zwei Kupferstreifen.
Die Fertigung des Shunts erfolgt mittels eines Schweißverfahrens
(z. B. Elektronenstrahlschweißen),
bei dem die drei oder zwei Einzelteile in Bandform miteinander verbunden
werden. Ein solches Band
1 ist in
1 wiedergegeben.
Der mittlere Streifen
2 besteht aus dem Widerstandsmaterial Manganin.
Die beiden Außenstreifen
3 und
4 bestehen
aus Kupfer. Gestrichelt sind hier einzelne Shunts
5 eingezeichnet,
wie sie aus dem Band
1 ausgestanzt werden sollen.
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Die
einzelnen Shunts 5 werden nun aus dem Band 1 (Kupfer-Manganin-Kupfer oder
Manganin-Kupfer) quer zur Bandrichtung ausgestanzt, so dass sich
eine Vielzahl von Shunts 5 gemäß 2 ergeben.
Jeder Shunt 5 besitzt also ein Widerstandselement 6 aus
Manganin und links und rechts davon jeweils ein Kontaktelement 7, 8 aus
Kupfer. Der Strom I durchläuft
den Shunt 5 beispielsweise in der eingezeichneten Richtung.
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3 zeigt
den Shunt 5 in seiner dreidimensionalen Form. Ingesamt
besitzt er mit seinen beiden Kontaktelementen 7, 8 und
dem dazwischen eingeschweißten
Widerstandselement 6 ebenfalls bandförmige Gestalt. An den Fugen 9 sind
die Elemente aneinander geschweißt.
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Die
mechanische Integration des Shunts erfordert eine entsprechende
Anbindung an die benachbarten Teile. Dies kann beispielsweise durch Nieten,
Schrauben etc. erfolgen. Durch das Einbringen von Bohrungen 10 bzw.
Gewinden (vergleiche 1 und 2) wird
bei dem heutigen Shuntdesign die für den Stromfluss verfügbare Schnittfläche reduziert.
Dies ergibt sich aus den 4 und 5, die die
Schnitte A-A und B-B durch den Shunt 5 von 2 darstellen.
Die Kupferquerschnittsfläche 11 in 4 ist
auf Grund der Bohrung 10 deutlich geringer als die Kupferquerschnittsfläche 12 in 5.
Der maximal übertragbare
Strom hängt
jedoch direkt von der minimal verfügbaren Querschnittsfläche 11 ab.
Um diese Reduzierung zu kompensieren, muss zwangsweise die Breite
der Stromschiene, d. h. die Breite des Shunts 5 erhöht werden.
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Der
Materialeinsatz für
einen einzelnen Shunt 5 errechnet sich aus dem in 1 eingezeichneten
Vorschub 13 (Breite eines Shunts 5 plus minimaler
Abstand zum nächsten
Shunt im Band 1) multipliziert mit der Streifenbreite 14 des
Bands 1. Ist auf Grund der Bohrung 10 die Shuntsbreite
zu erhöhen, so
erhöht
sich entsprechend der Materialeinsatz für jeden Shunt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, den Materialeinsatz
für Shunts
bzw. Widerstandsvorrichtungen bei unveränderter maximaler Stromstärke zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Widerstandsvorrichtung mit einem Widerstandselement, das eine
erste und eine zweite gegenüberliegende
Seite aufweist, einem ersten Kontaktelement, das an die erste Seite
des Widerstandselements angebracht ist, einem zweiten Kontaktelement,
das an die zweite Seite des Widerstandselements angebracht ist,
und einer Bohrung, die in dem ersten Kontaktelement zur Befestigung
der Widerstandsvorrichtung angeordnet ist, wobei das erste Kontaktelement
in einer Ebene, die durch die Bohrung verläuft, parallel zu der ersten
Seite eine größere Gesamtquerschnittsfläche einschließlich der
Bohrung besitzt als das zweite Kontaktelement in jeder Ebene parallel
zu der ersten Seite.
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Darüber hinaus
wird erfindungsgemäß bereitgestellt
ein Verfahren zum Herstellen einer Widerstandsvorrichtung mit einem
Widerstandselement, das eine erste und eine zweite, gegenüberliegende Seite
aufweist, einem ersten Kontaktelement, das an die erste Seite des
Widerstandselements angebracht ist, und einem zweiten Kontaktelement,
das an die zweite Seite des Widerstandselements angebracht ist,
durch Bereitstellen eines bandförmigen
Halbzeugs mit einem Mittelsteifen aus Widerstandsmaterial und zwei
an zwei gegenüberliegenden
Seiten des Mittelstreifens angebrachte Außenstreifen, Ausstanzen der
Widerstandsvorrichtung aus dem Halbzeug im Wesentlichen durch Schnitte
quer zur Längsrichtung
des bandförmigen
Halbzeugs und Ausstanzen eines Befestigungslochs aus dem ersten
Kontaktelement, wobei das erste Kontaktelement außer durch einen
Stirnseitenschnitt durch mindestens einen weiteren Schnitt ausgestanzt
wird, der eine Richtungskomponente in Längsrichtung des bandförmigen Halbzeugs
besitzt, so dass das erste Kontaktelement in einer Ebene, die durch
die Bohrung verläuft,
parallel zu der ersten Seite eine größere Gesamtquerschnittsfläche einschließlich der
Bohrung besitzt als das zweite Kontaktelement in jeder Ebene parallel
zu der ersten Seite.
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Bei
einer besonderen Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Widerstandsvorrichtung
weist das erste Kontaktelement mindestens einen ersten und einen
zweiten Schenkel auf. Die beiden Schenkel sind senkrecht zueinander
angeordnet und die Bohrung ist in dem Bereich angeordnet, in dem
sich die beiden Schenkel berühren.
Da der Strom durch beide Schenkel fließt, ergibt sich in dem Berührungsbereich
der beiden Schenkel für
den Strom ein erhöhter
Materialquerschnitt gegenüber
einem Einzelschenkel. Daher ist das Vorsehen einer Bohrung in diesem
Bereich unkritisch und wirkt sich weniger beeinträchtigend
aus.
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Insbesondere
kann das erste Kontaktelement L-förmig oder T-förmig
ausgebildet sein. Diese Formen lassen sich sehr materialsparend
auf dem bandförmigen
Halbzeug anordnen. Insbeson dere lässt sich durch eine Stanzform,
deren Schnittlinien für
zwei Widerstandsvorrichtungen punktsymmetrisch angeordnet sind,
sehr materialsparende Varianten von Widerstandsvorrichtungen bzw.
Shunts herstellen.
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Das
erste Kontaktelement kann in Richtung der Bohrung dicker als das
zweite Kontaktelement sein. Auch durch diesen Dickenunterschied
lässt sich eine
Querschnittserhöhung
in dem Kontaktelement mit der Bohrung erreichen.
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Wie
oben bereits angedeutet wurde, eignet sich die oben vorgestellte
Widerstandsvorrichtung insbesondere für einen Einsatz in einem Batteriesensor
zur Erfassung einer elektrischen Größe einer Batterie.
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Die
vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 ein
Halbzeug, aus dem Shunts nach dem Stand der Technik ausgestanzt
werden;
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2 ein
aus dem Band von 1 gemäß dem Stand der Technik ausgestanzter
Shunt;
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3 der
Shunt von 2 in perspektivischer Ansicht;
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4 einen
Schnitt A-A durch den Shunt von 2;
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5 einen
Schnitt B-B durch den Shunt von 2;
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6 eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Shunt;
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7 ein
Halbzeug zum Ausstanzen des Shunts von 6;
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8 ein
Halbzeug mit einem Ausstanzmuster für T-förmige Shunts und
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9 einen
Querschnitt durch eine Widerstandsvorrichtung gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Die
nachfolgend näher
geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
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Der
in 6 wiedergegebene erfindungsgemäße Shunt 20 besitzt
L-Form. Diese ergibt sich durch ein L-förmiges Kontaktelement 21 aus
Kupfer (oder einem anderen gut leitfähigen Material), an dessen
einem Schenkelende ein Widerstandselement 22 aus Manganin
und daran anschließend
ein weiteres Kontaktelement 23 aus Kupfer angeschweißt ist.
Das Widerstandselement 22 und das Kontaktelement 23 besitzen
hier quadratische oder rechteckförmige
Gestalt. Der Strom I fließt
hier durch beide Schenkel des Shunts.
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Die
beiden Schenkel des L-förmigen
Kontaktelements 21 berühren
sich an einer Schnittfläche C-C.
Diese Schnittfläche
ist gegenüber
einer Schnittfläche
eines der beiden Schenkel um den Faktor √2 vergrößert, wenn
die beiden Schenkel gleichbreit sind. Die Schnittfläche C-C
ist aber auch dann vergrößert, wenn
die beiden Schenkel unterschiedlich breit sind. Daher wird erfindungsgemäß die Bohrung 10 in
diesem vergrößerten Querschnittsbereich
angeordnet. Die für
den Strom I zur Verfügung
stehende Querschnittsfläche
wird also durch die Bohrung nicht so weit reduziert wie bei dem
Shunt von 2. Dies ist dadurch begründet, dass
die Gesamtquerschnittsfläche
einschließlich
der Bohrung 10 in dem Bereich der Bohrung insbesondere
auch gegenüber
der Querschnittsfläche
des zweiten Kontaktelements 23 vergrößert ist. Durch die L-Form
ist aber eine Verbreiterung des Shunts über seine gesamte Länge nicht notwendig.
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Damit
beim Ausstanzen möglichst
wenig Materialabfall entsteht, sind die Stanzschnitte möglichst materialsparend
anzuordnen. Eine besonders materialsparende Anordnung (hier punktsymmetrisch) zum
Ausstanzen eines Shunts von 6 ist in 7 wiedergegeben.
Der Vorteil dieser Stanzung besteht darin, dass die Einzelwiderstände 20 nicht
ausschließlich
quer zur Bandslängsrichtung
getrennt bzw. vereinzelt werden, sondern dass die Stanzung gemäß den konstruktiven
Anforderungen der Applikation (Formstanzen) ausgeführt wird.
Es würden hier
also nicht nur neben den Stirnseitenschnitten 30 und 31 Schnitte 32, 33, 34, 35, 36 und 37 quer
zur Längsrichtung
des Bands 1, sondern auch Schnitt 38, 39, 40 und 41 in
Längsrichtung
des Bands 1 in dessen innerem Bereich durchgeführt. Die
Schnitte 30 bis 41 für zwei Shunts sind hier so
platziert, dass aus einer rechteckigen Fläche der Vorschublänge 42 und der
Streifenbreite 14 zwei Shunts der Gestalt von 6 ausgestanzt
werden können.
Durch diese Anordnung bzw. Verschachtelung ergibt sich nahezu kein
Materialabfall beim Ausstanzen.
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8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel zum
Herstellen einer erfindungsgemäßen Widerstandsvorrichtung.
Die einzelnen auszustanzenden Shunts 50 besitzen hier T-Form.
Die in 8 gestrichelt wiedergegebenen Stanzlinien sind
auch hier so angeordnet (punktsymmetrisch), dass möglichst
wenig Materialabfall entsteht. Die Ecken können hier, aber auch bei den
vorhergehenden Ausführungsbeispielen,
auch abgerundet oder abgeschrägt
sein.
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Die
Bohrung 10 ist hier in jedem Shunt symmetrisch platziert.
In diesem Fall kann sich der Strom um die Bohrung 10 symmetrisch
teilen und es steht stets eine ausreichend große Querschnittsfläche zur Verfügung. Alternativ
kann die Bohrung auch an einem Ende des Schenkels platziert sein,
wie dies durch den gestrichelten Kreis 51 in 8 angedeutet ist.
In diesem Fall steht dem Strom mindestens die Querschnittsfläche wie
in dem Beispiel von 6 zur Verfügung.
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In 9 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Shunt
im Längsschnitt dargestellt.
Seine Draufsicht ist identisch mit der Ansicht von 2.
Das in der Mitte gelegene Widerstandselement 6 und das
rechts anschließende
Kontaktelement 7 sind genauso ausgebildet wie bei dem Shunt
von 2. Das linke Kontaktelement 18 mit der
Bohrung 10 hingegen besitzt eine größere Dicke als das rechte Kontaktelement 7.
Auch durch diese Maßnahme
ist gewährleistet,
dass der Materialquerschnitt für
den Strom um die Bohrung 10 gegenüber den Verhältnissen
beim Shunt von 2 vergrößert ist. Dies wird also hier
dadurch erreicht, dass die Dimension des Kontaktelements nach oben
vergrößert wird.
Diese Technik lässt
sich auch mit anderen oben geschilderten Ausführungsbeispielen kombinieren.
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- 1
- Band
- 2
- Mittelstreifen
- 3,
4
- Außenstreifen
- 5,
20
- Shunts
- 6,
22
- Widerstandselement
- 7,
8, 18, 21, 23
- Kontaktelement
- 9
- Fugen
- 10
- Bohrung
- 11,
12
- Kupferquerschnittsfläche
- 13
- Vorschub
- 14
- Streifenbreite
- 30,
31
- Stirnseitenschnitte
- 32,
33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41
- Schnitte
- 42
- Vorschublänge
- 50
- Shunts
- 51
- gestrichelter
Kreis
- I
- Strom