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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens drei Bauteilen wie beispielsweise Wickelelementen einer Oberlage, einer Unterlage und eine Kommutatorlamelle eines Ankers für eine Elektromaschine. Die Erfindung betrifft ferner einen entsprechend ausgebildeten Anker für eine Elektromaschine.
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Stand der Technik
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In der elektrischen Verbindungstechnik, beispielsweise beim Fertigen von Ankern für elektrische Maschinen, werden häufig in einem Bearbeitungsschritt mehrere Bauteile thermisch gefügt, um diese mechanisch und/oder elektrisch miteinander zu verbinden.
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Beispielsweise wird für ein Verbinden von Wickelelementen eines Ankers mit einem Kommutator des Ankers häufig ein Diffusionslötprozess eingesetzt. Zur Vorbereitung des Prozesses werden zunächst abisolierte Wickelelementenden in einem Tauchbad mit einem Flussmittel benetzt und dann in einem Weichlot verzinnt. Der Fügeprozess selbst erfolgt in der Regel unter Kontaktierung des Kommutators und einer oder beider Lagen der Wickelelemente mit Hilfe von Kontaktelektroden und unter Anlegen eines Stromes. Die zu fügenden Bauteile bestehen in diesem Fall beispielsweise aus Kupfer oder Kupferlegierungen. Das Weichlot schmilzt aufgrund der durch den durchfließenden Strom bewirkten Erwärmung der Bauteile. Aufgrund von Diffusionsvorgängen bilden sich Zinn-Kupfer-Mischkristalle in einer Fügezone, die erwünschterweise eine höhere mechanische und/oder thermische Festigkeit besitzen als das Lot selbst.
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Das beschriebene Verfahren des Diffusionslötens kann jedoch seitens der Anlagentechnik aufwendig und kostenintensiv sein. Das Benetzen der Wickelelementenden mit Flussmittel und das anschließende Verzinnen sind im Allgemeinen nicht wertschöpfende Prozesse und sind mit signifikanten Materialkosten für die Herstellung des Ankers verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden alternative Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden wenigstens dreier Bauteile vorgeschlagen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht dabei eine vereinfachte Prozessführung bzw. einen reduzierten Aufwand für die Anlagentechnik. Insbesondere kann auf ein Verzinnen verzichtet werden. Der Vorgang des Diffusionslötens kann durch einen in mancher Hinsicht einfacheren Prozess ersetzt werden.
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Das hierin vorgeschlagene Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von wenigstens drei Bauteilen umfasst zunächst das Anordnen der Bauteile in einen Stapel, in dem ein mittleres Bauteil zwischen ein erstes äußeres Bauteil und ein zweites äußeres Bauteil zwischengelagert ist. Anschließend wird ein elektrischer Strom derart bewirkt, dass der Strom von einem der äußeren Bauteile durch das mittlere Bauteil hin zu dem anderen äußeren Bauteil fließt. Das mittlere Bauteil ist dabei in einem Schweißbereich, durch den der bewirkte elektrische Strom fließt, sowohl an seiner zu dem ersten äußeren Bauteil gerichteten Oberfläche als auch an seiner zu dem zweiten äußeren Bauteil gerichteten Oberfläche mit einer sogenannten Gestaltabweichung ausgebildet, wobei die Gestaltabweichung erster Ordnung, zweiter Ordnung und/oder dritter Ordnung bezüglich einer glatten Oberfläche sein soll.
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Eine dem vorgeschlagenen Verfahren zugrunde liegende Idee kann dabei darin gesehen werden, den bisher zum Verbinden von mehreren Bauteilen beispielsweise eines Ankers einer Elektromaschine verwendeten Prozess des Diffusionslötens durch einen Widerstandsschweißprozess zu ersetzen.
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Bei einem solchen Widerstandsschweißprozess wird Material der zu verbindenden Bauteile aufgrund der durch den durchfließenden elektrischen Strom bewirkten Temperaturerhöhung in einen schmelzflüssigen Zustand versetzt. Beim anschließenden Abkühlen dieser Grenzflächen erstarrt das geschmolzene Material und bewirkt so eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen.
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Es wurde nun erkannt, dass die beim Durchfließen des elektrischen Stromes bewirkte Erhitzung stark von der lokal vorherrschenden Stromdichte abhängt. Es wird daher vorgeschlagen, die zu verbindenden Bauteile in dem Schweißbereich nicht vollflächig aneinandergrenzen zu lassen. Stattdessen soll das mittlere Bauteil im Schweißbereich an seinen beiden hin zu dem benachbarten ersten bzw. zweiten äußeren Bauteil gerichteten Oberflächen eine nicht-glatte Oberfläche, d.h. eine Oberfläche mit einer makroskopischen Gestaltabweichung, aufweisen. Aufgrund dieser nicht-glatten Oberfläche liegt das mittlere Bauteil lediglich in kleinen Teilflächen, vorzugsweise lediglich punktuell, an den jeweiligen angrenzenden Oberflächen des ersten bzw. zweiten äußeren Bauteils an. In dazwischen liegenden Teilbereichen bestehen kein mechanischer Kontakt und somit auch kein elektrischer Kontakt. Der durch den Stapel von Bauteilen fließende elektrische Strom wird somit in diesen Teilbereichen elektrischen Kontakts zwischen den Bauteilen konzentriert. Es stellt sich daher lokal eine erhöhte Stromdichte und damit eine verstärkte lokale Erhitzung ein. Diese verstärkte Erhitzung kann zu einem lokalen Aufschmelzen von Material der zu verbindenden Bauteile führen, wodurch beim anschließenden Abkühlen ein lokaler stoffschlüssiger Verbund zwischen den Bauteilen bewirkt werden kann.
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Mit anderen Worten wird die Stärke des bewirkten elektrischen Stroms vorzugsweise derart eingestellt, dass die Bauteile in Regionen, in denen das mittlere Bauteil im Schweißbereich mit seinen gestaltabweichenden Oberflächen an benachbarte Oberflächen des ersten bzw. des zweiten äußeren Bauteils angrenzt, lokal aufschmelzen. Die Richtung des Stromes ist hierbei weitgehend irrelevant, d.h. es kann ein Gleichstrom vom ersten äußeren Bauteil durch das mittlere Bauteil hin zum zweiten äußeren Bauteil oder umgekehrt oder ein Wechselstrom bewirkt werden.
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Anders ausgedrückt können eine Oberflächenstruktur des mittleren Bauteils und ein durch den Stapel von Bauteilen geleiteter elektrischer Strom derart gewählt sein, dass nur die Spitzen der Oberflächenstruktur aufgrund der dort herrschenden lokalen Widerstandserhöhung aufschmelzen. Die Oberflächenstruktur kann dabei sowohl mikroskopisch in Form beispielsweise von Rauheitsspitzen als auch makroskopisch in Form von Riffelungen, Gewinden, Buckeln etc. ausgeprägt sein.
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Dadurch, dass nur das mittlere Bauteil mit einer Oberflächenstruktur versehen ist, lassen sich in beiden Fügezonen zwischen dem mittleren Bauteil und dem ersten äußeren Bauteil einerseits und dem mittleren Bauteil und dem zweiten äußeren Bauteil andererseits gezielt und definiert Kontaktzonen einstellen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Gestaltabweichungen technischer Oberflächen gemäß der deutschen Industrienorm DIN 4760 als in sechs unterschiedliche Grade unterteilt verstanden werden können. Gestaltabweichungen erster bis vierter Ordnung können sich dabei überlagern und damit die reale Oberflächenbeschaffenheit eines Körpers bestimmen. Unter einer Gestaltabweichung erster Ordnung kann eine Formabweichung bezüglich einer Sollform verstanden werden. Unter einer Gestaltabweichung zweiter Ordnung kann eine Welligkeit verstanden werden. Unter einer Gestaltabweichung dritter Ordnung kann eine Rauheit in Form von Rillen verstanden werden. Gestaltabweichungen vierter, fünfter und sechster Ordnung betreffen eine Rauheit in Form von Riefen, Schuppen, Kuppen, eine Rauheit der Gefügestruktur bzw. einen Gitteraufbau des Werkstoffs.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Gestaltabweichung an den Oberflächen des mittleren Bauteils eine Gestaltabweichung zweiter Ordnung in Form einer Welligkeit mit Strukturgrößen im Bereich von 50 μm bis 5 mm, vorzugsweise von 50µm bis 1 mm.
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Derart makroskopische Gestaltabweichungen können zur Folge haben, dass sowohl die Kontaktflächen, in denen das mittlere Bauteil an einem der angrenzenden äußeren Bauteile anliegt, als auch die lateralen Abstände zwischen solchen Kontaktflächen in etwa in der Größenordnung der Strukturgrößen liegen. Sowohl die Größe der Kontaktflächen als auch der Abstand zwischen benachbarten Kontaktflächen haben Einfluss auf die elektrische Stromdichte im Bereich der Kontaktfläche beim Anlegen des Schweißstroms.
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Die verhältnismäßig großen Strukturen einer Gestaltabweichung zweiter Ordnung in Form einer Welligkeit können beispielsweise einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Zum Beispiel können derart makroskopische Gestaltabweichungen im Schweißbereich des mittleren Bauteils durch Fertigungsprozesse wie umformende Verfahren, wie zum Beispiel Rollieren, Rändeln, Pressen etc., durch urformende Verfahren, wie zum Beispiel Gießen, durch spanende Verfahren, wie zum Beispiel Drehen, Gewindeschneiden etc. oder durch strahlende Verfahren, wie zum Beispiel Kugelstrahlen, Sandstrahlen, Laserstrukturieren etc., ausgebildet werden. Solche Fertigungsverfahren ermöglichen eine einfache und kostengünstige makroskopische Strukturierung der Oberfläche des mittleren Bauteils.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die im Schweißbereich des mittleren Bauteils vorgesehene Gestaltabweichung eine Gestaltabweichung dritter Ordnung in Form einer Rauheit mit Strukturgrößen im Bereich von 10 μm bis 50 μm.
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Die Eigenschaft der „Welligkeit“ oder „Rauheit“ der Gestaltabweichungen an der Schweißfläche des mittleren Bauteils soll hauptsächlich ein Maß für die vorherrschenden Strukturgrößen implizieren, nicht jedoch zwingend eine Angabe über spezielle Formen der Gestaltabweichung beinhalten. Beispielsweise können die Gestaltabweichungen eine scharfkantige, zackige Struktur oder auch eine verrundete weiche Struktur aufweisen. Die Gestaltabweichungen können sich im Wesentlichen homogen über die Schweißfläche verteilen.
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Die Gestaltabweichungen an dem Schweißbereich des mittleren Bauteils können auch in Form eines sogenannten Mittenrauwertes Ra angegeben werden. Ein Mittenrauwert beschreibt die Rauheit einer technischen Oberfläche, die beispielsweise durch Zerspanungsverfahren, Urformverfahren oder Umformverfahren hergestellt wurde. Ideal glatte Oberflächen hätten einen Mittenrauwert von 0. Realistische Mittenrauwerte reichen von kaum sichtbaren Bearbeitungsspuren von Ra = 0,025 μm bis hin zu deutlich sichtbaren Riefen, Schuppen oder Kuppen mit Ra = 50 μm. Auch gröberen, makroskopischen Gestaltabweichungen wie den oben beschriebenen Welligkeiten können Mittenrauwerte zugeordnet werden, die beispielsweise im Bereich von deutlich mehr als 50 μm liegen können.
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Im Gegensatz zu dem mittleren Bauteil können die zu dem mittleren Bauteil gerichteten Oberflächen des ersten und des zweiten äußeren Bauteils im Wesentlichen glatt sein. Mit anderen Worten brauchen die äußeren Bauteile nicht speziell bearbeitet zu werden, um gezielt Gestaltabweichungen zu erzeugen. „Im Wesentlichen glatt“ kann dabei beispielsweise dahingehend interpretiert werden, dass die verbleibenden Gestaltabweichungen vierter oder höherer Ordnung sind. Anders ausgedrückt kann ein Mittenrauwert der im Wesentlichen glatten Oberflächen der äußeren Bauteile kleiner als 10 μm sein.
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Zumindest eines der zu verbindenden Bauteile, vorzugsweise aber alle zu verbindenden Bauteile können aus Kupfer bestehen. Im Gegensatz zu z.B. Zinn-Lot ist Kupfer hochschmelzend mit einem Schmelzpunkt bei 1083°C. Das vorgeschlagene Verbindungsverfahren erlaubt, derart hohe Temperaturen zumindest lokal mit einem akzeptablen Energieaufwand zu generieren und so die Bauteile zwar nicht ganzflächig, aber über punktuelle Teilregionen zu verschweißen und damit eine mechanisch und elektrisch ausreichende Verbindung zwischen den Bauteilen zu erzeugen.
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Alternativ können zumindest eines der zu verbindenden Bauteile, vorzugsweise aber alle zu verbindenden Bauteile aus Aluminium bestehen.
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In einer konkreten Ausführungsform der Erfindung ist das äußere Bauteil eine Oberlage eines Ankers einer Elektromaschine, das mittlere Bauteil eine Unterlage eines Ankers der Elektromaschine und das zweite äußere Bauteil eine Kommutatorlamelle des Ankers der Elektromaschine.
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Bei Ankern für Elektromaschinen kann es besonders vorteilhaft sein, die Oberlage und die Unterlage des Ankers, d.h. verschiedene Wicklungsenden der Ankerwicklungen, übereinander gestapelt an einer Kommutatorlamelle anzubringen. Das beschriebene Widerstandsschweißverfahren ist hierfür besonders geeignet.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind das erste und das zweite äußere Bauteil jeweils Flanken eines Crimps, die das mittlere Bauteil mit seiner zumindest bereichsweise strukturierten Oberfläche umschließen.
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Der Crimp kann somit mit seinen beiden im Wesentlichen glatten Flanken in einfacher Weise durch das beschriebene Widerstandsschweißverfahren mit dem umschlossenen mittleren Bauteil stoffschlüssig verbunden werden.
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Mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens lässt sich zum Beispiel ein Anker für eine Elektromaschine herstellen, bei dem eine Unterlage zwischen eine Oberlage und eine Kommutatorlamelle zwischengelagert ist und die drei Komponenten innerhalb eines Schweißbereichs stoffschlüssig verbunden sind. Die Oberlage, die Unterlage und die Kommutatorlamelle sind hierbei innerhalb des Schweißbereichs nur in Teilregionen, die in ihrer Strukturgröße einer Gestaltabweichung erster, zweiter und/oder dritter Ordnung bezüglich einer glatten Oberfläche entsprechen, stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Anders ausgedrückt kann aufgrund des beschriebenen Widerstandsschweißverfahrens eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Oberlage, der Unterlage und der Kommutatorlamelle nicht ganzflächig sein, sondern sich innerhalb des Schweißbereichs lokal auf kleine Teilregionen beschränken. Das Material in Verbindungsbereichen ist dabei das während des Widerstandsschweißens temporär aufgeschmolzene Material zumindest eines der Bauteile. Mit anderen Worten bestehen die Verbindungsbereiche, in denen die Unterlage mit der Oberlage oder der Kommutatorlamelle stoffschlüssig verbunden ist, aus dem Material zumindest eines der Unterlage, der Oberlage und der Kommutatorlamelle. Weiteres, niedrigschmelzenderes Material, beispielsweise in Form eines Lotes, braucht an den Verbindungsbereichen nicht vorhanden zu sein.
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Diese Art der stoffschlüssigen Verbindung der Ankerkomponenten kann aus der Art des Herstellungsverfahrens resultieren. Es kann damit eine vereinfachte Herstellbarkeit des vorgeschlagenen Ankers bei gleichzeitig ausreichend mechanisch fester und elektrisch leitender Verbindung der Ankerkomponenten erreicht werden.
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Es wird angemerkt, dass mögliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und teilweise mit Bezug auf Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ankers beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die verschiedenen Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise Synergieeffekten zu gelangen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ankers für eine Elektromaschine;
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teilbereichs des Kommutators eines Ankers mit zwei übereinanderliegenden Enden von Wickelelementen;
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3 zeigt eine Längsschnittansicht eines Teilbereichs eines Ankers im Bereich des Kommutators mit übereinanderliegenden Enden von Wickelelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Anker 1, der Teil einer Elektromaschine wie beispielsweise eines Starters für einen Verbrennungsmotor sein kann. Der Anker 1 weist eine Anker- bzw. Rotorwelle 2, ein Anker- bzw. Lamellenpaket 3, welches fest mit der Ankerwelle 2 verbunden ist und über den Umfang verteilt eine Vielzahl von Wickelelementen 4 aufweist, und einen Kommutator 5, der benachbart zu einer Stirnseite der Ankerwelle 2 angeordnet ist, auf. Die freien Enden der Wickelelemente 4 sind fest miteinander und mit dem Kommutator 5 verbunden.
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2 zeigt einen Querschnitt durch einen Anker im Bereich des Kommutators 5 mit auf der Außenfläche des Kommutators 5 übereinanderliegenden Wickelelementenden 8, 9. In der dargestellten Ausführungsform kann das Wickelelementende 9 zu einer Oberlage des Ankers gehören und als erstes äußeres Bauteil verstanden werden. Das Wickelelementende 8 kann zu einer Unterlage des Ankers gehören und als mittleres Bauteil verstanden werden. Die Kommutatorlamelle 6 kann als zweites äußeres Bauteil verstanden werden. Anders ausgedrückt liegen an der Oberfläche bzw. Außenseite der Kommutatorlamelle 6 die Wickelelementenden 8, 9 zweier verschiedener Wickelelemente 4 übereinander, wobei die beiden Enden jeweils eines Wickelelements an verschiedenen Kommutatorlamellen 6 jeweils einmal die untere und einmal die obere Lage bilden. Die Kommutatorlamellen 6 sind gegenüber benachbarten Lamellen des Kommutators 5 über Isolierstege 7 isoliert.
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3 zeigt eine Schnittansicht durch die Kommutatorlamelle 6 mit darüber gestapelten Wickelelementenden 8, 9. Das als mittleres Bauelement dienende Wickelelementende 8 weist in einem Schweißbereich 11 Gestaltabweichungen 12 in Form einer Welligkeit oder Rauheit mit nach außen abragende makroskopische Spitzen 10 auf. Die Gestaltabweichungen 12 sind dabei an beiden Oberflächen des Wickelelements 8 vorgesehen, d. h. an einer zu dem darüberliegenden Wickelelement 9 gerichteten Oberfläche sowie an einer zu der darunterliegenden Kommutatorlamelle 6 gerichteten Oberfläche. Im dargestellten Beispiel sind die Gestaltabweichungen 12 als um das Wickelelementende umlaufendes Gewinde realisiert. Die Strukturgröße der Gestaltabweichungen 12 kann dabei zwischen einem Zehntel Millimeter und mehreren Millimetern betragen, wobei sich die angegebenen Größen sowohl auf einen radialen Abstand zwischen den am weitesten außenliegenden Bereichen und den am weitesten innenliegenden Bereichen einer Oberfläche beziehen können als auch auf den lateralen Abstand zwischen benachbarten, am weitesten außenliegenden Bereichen.
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Um die Wickelelementenden 8, 9 und die Kommutatorlamelle 6 miteinander stoffschlüssig zu verbinden, wird an das außenliegende Wickelelement 9 sowie an die an der anderen Seite außenliegende Kommutatorlamelle 6 eine elektrische Spannung angelegt. Wie mit den Pfeilen 13, 14 angedeutet, fließt daraufhin ein elektrischer Strom von beispielsweise 10 Kiloampere von dem äußeren Wickelelementende 9 über das dazwischen angeordnete Wickelelementende 8 hin zu der Kommutatorlamelle 6.
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Da ein elektrischer Kontakt zwischen dem mittleren Wickelelementende 8 und dem äußeren Wickelelementende 9 bzw. der Kommutatorlamelle 6 lediglich in den Teilregionen besteht, in denen die abragenden Spitzen 10 der Gestaltabweichungen 12 an die glatten Oberflächen des Wickelelementendes 9 bzw. der Kommutatorlamelle 6 angrenzen, muss ein durch den Stapel von Bauteilen 9, 8, 6 geleiteter Strom 13, 14 sich an der Grenzfläche zwischen den Bauteilen 9, 8, 6 lokal auf diese Teilregionen konzentrieren. Aufgrund der lokal erhöhten Stromdichte kommt es somit an den Kontaktstellen zu einer verstärkten Wärmeerzeugung. Dieser Effekt wird noch dadurch unterstützt, dass an den Kontaktstellen ein erhöhter Kontaktwiderstand auftreten kann. Die verstärkte Wärmeentwicklung kann dazu genutzt werden, die Spitzen 10 der Gestaltabweichungen 12 sowie die angrenzenden Bereiche an der Oberfläche des äußeren Wickelelementendes 9 bzw. der Kommutatorlamelle 6 temporär lokal aufzuschmelzen. Beim anschließenden Abkühlen und Erstarren der Schmelze kommt es zu der gewünschten stoffschlüssigen Verbindung.
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Aufgrund der mit Gestaltabweichungen versehenen Oberfläche des mittleren Wickelelementendes 8 und den daraus resultierenden lokalen Stromkonzentrationen und damit lokal konzentrierten Wärmeentwicklungen kann ein relativ geringer Strom 13, 14 zum Bewirken des Widerstandsschweißens genügen. Somit kann bei dem hier vorgeschlagenen Verbindungsverfahren auf einen herkömmlich notwendigen Verzinnungsvorgang verzichtet werden und trotzdem gegebenenfalls die herkömmlich für ein Diffusionslöten eingesetzten Widerstandsschweißmaschinen für das hierin vorgestellte Verfahren weiter verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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