-
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der am 23. Januar 2015 eingereichten vorläufigen US Anmeldung mit der Nr. 62/107,045, deren Gesamtinhalt hiermit durch Bezugnahme eingefügt wird.
-
TECHNISCHES GEBIET
-
Das technische Gebiet dieser Offenbarung bezieht sich allgemein auf Kupfer-Verbindungsverfahren und insbesondere auf ein steuerbares Kupfer-Verbindungsverfahren mit niedrigem Wärmeeintrag.
-
HINTERGRUND
-
Der Zusammenbau von bestimmten Typen von Komponenten kann es erfordern, Metallteile durch Schweißen oder Hartlöten zu verbinden, ohne nahegelegene Abschnitte der gleichen Komponente, welche gegenüber Wärme empfindlicher sein können, thermisch zu beschädigen. Beim Zusammenbauen eines Stators eines Elektromotors müssen beispielsweise die Kupferdrähte verschiedener Phasenwicklungen, die um den Statorkern verteilt sind, typischerweise mit einem Kupferstreifen innerhalb eines Verbindungsringes verbunden werden, um die Phasenwicklungen elektrisch mit einer externen Stromquelle zu verbinden. Der Kupferstreifen wird normalerweise in einem Polymerkörper gehalten und enthält eine abgesenkte Vertiefung, welche hervorstehende Enden der Kupferdrähte aufnimmt. Diese hervorstehenden Enden der Kupferdrähte müssen an den Kupferstreifen innerhalb der abgesenkten Vertiefung geschweißt oder gelötet werden, ohne den umgebenden Polymerkörper, den Drahtlack, der die Kupferdrähte umgibt, die Isolierung zwischen den Statorkernschichten und/oder die Isolierung innerhalb der Statorkern-Spalten thermisch zu beschädigen. Zudem, um das Fügeverfahren weiter zur verkomplizieren, ist zu den hervorstehenden Enden der Kupferdrähte typischerweise nur ein Zugang von einer Seite verfügbar, was die verfügbaren Schweiß/Hartlöttechniken, die eingesetzt werden können, limitiert.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
-
Ein Bogenschweiß/Hartlötverfahren zum Verbinden von einem ersten Kupferstück mit einem zweiten Kupferstück ist offenbart. Das Bogenschweiß/Hartlötverfahren kann verwendet werden, um die ersten und zweiten Kupferstücke bei einer Vielzahl von Anwendungen zu verbinden, insbesondere solche, bei welchen wärmeempfindliche Materialien in der Nähe der Verbindungsstelle vorliegen. Beispielsweise, wie unten diskutiert, kann das Bogenschweiß/Hartlötverfahren verwendet werden, um einen Kupferdraht einer elektromagnetischen Polyphasen-Statorwicklung mit einem Kupferstreifen eines Verbindungsrings zu verbinden, der auf die Statorwicklung montiert ist, um die Zufuhr von elektrischem Strom zu der Statorwicklung zu ermöglichen. Bei diesem Szenario wird ein hervorstehendes Ende des Kupferdrahts durch ein Loch in dem Kupferstreifen empfangen und muss mit dem Streifen verbunden werden, ohne eine Vielzahl von Materialien in der Nähe zu beschädigen, welche gegenüber einer thermischen Beschädigung anfällig sind. In der Regel müssen eine Vielzahl dieser Kabel-an-Streifen Verbindungen hergestellt werden, um den Zusammenbau einer Statorkomponente eines Elektromotors zu vervollständigen.
-
Das offenbarte Bogenschweiß/Hartlötverfahren verwendet einen nicht verbrauchbaren Elektrodendraht, welcher elektrisch mit einer Schweißsteuerung in einer negativ orientierten Polung kommuniziert, um einen Bogen über einen zwischen einem Führungsspitzenende des Elektrodendrahts und des ersten Kupferstücks bestehenden Spalt zu schlagen. Der Strom, der durch den Bogen fließt, wenn der Bogen etabliert ist, erwärmt das erste Kupferstück und verursacht dadurch, dass das erste Kupferstück und das zweite Kupferstück, abhängig von den Einzelheiten des Verfahrens, entweder durch eine autogene Schweißverbindung oder durch eine Hartlötverbindung verbunden werden. Eine Vielzahl an Parametern des Bogenschweiß/Hartlötverfahrens kann gesteuert werden, um die Menge an Wärmeeintrag in die Kupferstücke zu begrenzen, welche das übersteigt, was benötigt wird, um die erwünschte Verbindung zwischen den Kupferstücken zu erhalten. Eine solche Steuerung des gesamten Wärmeeintrags ist hilfreich, um die thermische Schädigung von wärmeempfindlichen Materialien abzuschwächen, welche in der Nähe der Verbindungsstelle vorliegen können.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Elektromotorstators für eine Automobilanwendung;
-
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht des in 1 dargestellten Elektromotorstators, mit den oberen und unteren Ringträgern des Verbindungsrings voneinander getrennt;
-
3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines der unteren Ringträger des Verbindungsrings, die auf der elektromagnetischen Polyphasenstatorwicklung angeordnet sind;
-
4 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines der in 3 gezeigten Kupferstreifen mit hervorstehenden Enden zweier Kupferdrähte, die durch Löcher in dem Kupferstreifen empfangen sind;
-
5 ist eine schematische Darstellung einer Bogenschweiß/Hartlötvorrichtung;
-
6A–6D stellen schematisch die Schritte eines autogenen Bogenschweißverfahrens dar, das mit der Bogenschweiß/Hartlötvorrichtung von 5 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung durchgeführt werden kann;
-
7 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines der in 3 gezeigten Kupferstreifen mit durch Löcher in dem Kupferstreifen empfangenen hervorstehenden Enden zweier Kupferdrähte und einem vorplatzierbaren festen Hartlötmaterial;
-
8A–8D stellen schematisch die Schritte eines Bogenschweißverfahrens dar, welches mit der Bogenschweiß/Hartlötvorrichtung von 5 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung durchgeführt werden kann; und
-
9 ist eine Draufsicht auf ein Hartlötmaterial-Blatt, das eine Vielzahl von darin hergestellten Hartlötmaterial-Kragen zur Verwendung in dem in den 8A–8D dargestellten Bodenschweißverfahren aufweist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Die Notwendigkeit Metallabschnitte einer Komponente zu verbinden, ohne andere Abschnitte der Komponente zu beschädigen oder anderweitig thermisch zu zersetzen, welche gegenüber der auftretenden Wärme, welche das Verbindungsverfahren begleitet, empfindlicher sind, ist eine Randbedingung der Herstellung, die bei einer Vielzahl von Zusammenhängen auftreten kann. Insbesondere, wie hier demonstriert und in 1–3 dargestellt, kann ein Stator 10 für einen 3-Phasen Wechselstrom Automobil-Elektromotor das Herstellen einer Vielzahl von lokalisierten Verbindungen zwischen thermisch und elektrisch hoch leitfähigen Kupferstücken erfordern, die in der unmittelbaren Nähe von hitzeempfindlicheren elektrisch isolierenden Materialien liegen. Das Vermeiden einer unakzeptablen thermischen Zersetzung solcher elektrisch isolierenden Materialien während des Verbindungsverfahrens hilft sicherzustellen, dass der Automobil-Elektromotor so effizient wie möglich arbeitet. Leider hat es sich in den engen räumlichen Beschränkungen des Stators 10 als schwierig herausgestellt, regelmäßig die Bewahrung der elektrisch isolierenden Materialien in großer Nähe zu den Stellen der Kupferverbindungen zu erreichen. Die unten detaillierter offenbarten Geräte und Verfahren beabsichtigen, dieses Problem zu adressieren. Und während diese Geräte und Verfahren spezifisch mit Bezug auf den hier gezeigten Stator 10 beschrieben werden, wird der Fachmann verstehen, dass sie auch für andere Anwendungen verwendet werden können, auch wenn diese hier nicht explizit beschrieben sind.
-
Der Stator 10 ist der stationäre Teil des Elektromotors (Induktion oder Permanentmagnet) der mit einem Rotor (nicht dargestellt) kooperiert, um Drehmoment auf eine Achse oder Welle zu übertragen. Der Stator 10 umfasst ein Gehäuse 12, einen ferromagnetischen Statorkern 14, eine elektromagnetische Polyphasen-Statorwicklung 16 und einen Verbindungsring 18. Das Gehäuse 12, welches für gewöhnlich aus Gusseisen oder Stahl konstruiert ist, ist eine zylindrische Trägerstruktur mit einer zentralen Statorachse 12'. Die Funktion des Gehäuses 12 ist es, den Statorkern 14 und die Statorwicklung 16 zu tragen und zu schützen, und dem Stator 10 insgesamt mechanische Festigkeit zu verleihen. Der ferromagnetische Statorkern 14 ist entlang eine innen umlaufenden Wand 20 des Gehäuses 12 angeordnet. Der Statorkern 14 ist bevorzugt aus axial gestapelten isolierten Lagen aus einem ferromagnetischen Material konstruiert, wie zum Beispiel isolierten Lagen aus Siliziumstahl (Fe-Si). Der Statorkern 14 definiert eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Schlitzen 22, die um die Statorachse 12' herum umlaufend beabstandet sind.
-
Die elektromagnetische Polyphasenstatorwicklung 16 enthält mehrere eigenständige Phasenwicklungen, umfassend Kupferdrähte 24, welche hier in der Form von rechteckig unterteilten Kupferschienen vorliegen. Die Kupferdrähte 24 jeder Phasenwicklung werden durch mehrere Schlitze 22 des Statorkerns 14 auf eine Weise gewickelt, die ein oder mehrere Paare von entgegengesetzten magnetischen Polen erzeugt, wenn elektrischer Strom dieser bestimmten Phasenwicklung zugeführt wird. Die vielen Phasenwicklungen sind wiederum abwechselnd so um den Statorkern 14 herum angeordnet, dass elektrischer Strom den verschiedenen Phasenwicklungen in einem rotierenden Dreiphasen-Verlauf zugeführt wird, was die Statorwicklung 16 dazu veranlasst, ein rotierendes magnetisches Feld zu erzeugen, dass durch den Statorkern 14 verstärkt wird. Um die Kupferdrähte 24 der einzelnen Phasenwicklungen davon abzuhalten, miteinander kurz zu schließen, insbesondere in einem Automobil-Elektromotor, wird typischerweise eine Drahtlackbeschichtung auf die äußere Oberfläche der Kupferdrähte 24 aufgetragen und ein Polymer- oder Papierisolationsmaterial wird zwischen den Kupferdrähten 24 und dem Statorkern 14 innerhalb der Schlitze 22 angeordnet.
-
Der Verbindungsring 18 ermöglicht die Zufuhr von elektrischem Strom zu der elektromagnetischen Polyphasenstatorwicklung 16. Wie am besten in 2–4 gezeigt, weist der Verbindungsring 18 hier einen oberen Ringträger 26 und zwei untere Ringträger 28 auf. Der obere Träger 26 hat drei Phasenanschlüsse 30, 32, 34, welche elektrisch mit einer Spannungsquelle verbindbar sind, wie einem durch ein Hochvoltbatteriepack betriebenen Wechselrichter. Jeder Phasenanschluss 30, 32, 24 ist mit einem Kupfer-Leitungsband 36, 38, 40 gekoppelt, welches innerhalb eines oberen Polymerkörpers 42 (teilweise weggebrochen) aufgenommen ist und sich durch diesen Seite an Seite mit den anderen Leitungsbändern erstreckt. Obere Phasenanschluss-Streifen 36', 38, 40' sind jeweils einem Kupfer-Leitungsband 36, 38, 40 zugeordnet und erstrecken sich aus dem oberen Polymerkörper 42 heraus und sind daher freiliegend. Der obere Polymerkörper 42 kann aus einer großen Anzahl elektrisch isolierender Polymere, einschließlich beispielsweise Nylon, gebildet sein.
-
Die zwei unteren Ringträger 28 weisen eine Vielzahl von durch einen unteren Polymerkörper 46 gehaltenen individuellen Kupferstreifen 44 auf. Die Kupferstreifen 44 weisen untere Phasenanschluss-Streifen 36'', 38'', 40'' und Steckbrückenstreifen 48 auf. Ähnlich wie zuvor bei dem oberen Ringträger 26 können die unteren Polymerkörper 46 aus einer Vielzahl von elektrisch isolierenden Polymeren, einschließlich beispielsweise Nylon, gebildet sein. Jeder der von den unteren Polymerkörpern 46 gehaltenen Kupferstreifen 44 weist einen Körper 50 auf, der ein Paar von Löchern 52 innerhalb einer abgesenkten Vertiefung definiert (3–4). Die Löcher 52 sind zum Aufnehmen hervorstehender Enden 56 der Kupferdrähte 24, die einer der Phasenwicklungen zugeordnet sind, dimensioniert. Die unteren Phasenanschluss-Streifen 36'', 38'', 40'' weisen außerdem zusätzliche Verbindungsstreifenenden 58 auf, die den unteren Phasenanschlussstreifen 36', 38', 40' des oberen Ringträgers 26 gegenüberstehen und mit diesen verbunden sind, wenn der Verbindungsring 18 zusammengebaut ist. Auf diese Weise kann ein elektrischer Strom in einem rotierenden Dreiphasen-Verlauf mittels der drei Phasenanschlüsse 30, 32, 34 durch die Kupferleitungsbänder 36, 38, 40 und die verbundenen oberen 36', 38', 40' und unteren 36'', 38'', 40'' Phasenanschlussstreifen und zu den mehreren eigenständigen Phasenwicklungen der Statorwicklung 16 geleitet werden. Das resultierende rotierende magnetische Feld, das in der Statorwicklung 16 generiert wird und durch den Statorkern 14 verstärkt wird, treibt letztendlich die Rotation des Rotors an.
-
Nun speziell auf 4 Bezug nehmend, welche eine vergrößerte Ansicht eines der unteren Kupfer-Phasenanschlussstreifen 38'' eines der unteren Ringträger 28 ist, sind die hervorstehenden Enden 56 zweier Kupferdrähte 24 von den Löchern 42 in der herabgesetzten Vertiefung 54 aufgenommen und sie erstrecken sich durch diese hindurch, wenn der untere Trägerring 28 auf der Statorwicklung 16 angeordnet ist. Die anderen Kupferstreifen 44 – d. h. die anderen elf in 2 gezeigten Kupferstreifen 44 – empfangen ebenfalls in der gleichen Weise hervorstehende Enden 56 eines Paars von Kupferdrähten 24. Die Kupferdrähte 24, die jedem der Kupferstreifen 44 zugeordnet sind, müssen an Ort und Stelle mit ihrem entsprechenden Kupferstreifen 44 verbunden werden, um die mehreren Phasenwicklungen elektrisch mit ihren beabsichtigten Phasenanschlüssen 30, 32, 34 zu verbinden. Dies kann durch ein Bogenschweiß/Hartlötverfahren erreicht werden, welches steuerbar ist, um genau die Menge an Wärme zuzuführen, welche benötigt wird, um die Kupferdrähte 24 mit ihren Kupferstreifen 44 autogen zu verschweißen oder zu verlöten, ohne andere elektrisch isolierende Materialien in der Nähe in einem im Betrieb nicht akzeptablen Ausmaß thermisch zu zersetzen. Aus Gründen der Kürze wird das Bogenschweiß/Hartlötverfahren unten bezüglich eines einzelnen Paares von Kupferdrähten 24 und eines einzelnen Kupferstreifens 44 weiter beschrieben. Das Bogenschweiß/Hartlötverfahren kann natürlich ähnlich verwendet werden, um die gleiche Wirkung an den anderen Kupferstreifen 44 der zwei unteren Ringträger 28 zu erzielen.
-
Die Tatsache, dass das hier verwendete Bogenschweiß/Hartlötverfahren die hervorstehenden Enden 56 jedes Kupferdrahts 24 mit dem Kupferstreifen 44 in wiederholbarer Weise verbinden kann, während die funktionale Unversehrtheit jeglicher umgebenden elektrisch isolierenden Materialien bewahrt wird, ist nicht belanglos. Wie oben angedeutet gibt es verschiedene Arten von elektrisch isolierenden Materialien, welche sich möglicherweise thermisch zersetzen können, falls sie übermäßiger Wärme ausgesetzt werden – nämlich die Polymerkörper 42, 46 des oberen Ringträgers 26 und der unteren Ringträger 28, die Drahtlackschicht auf den äußeren Oberflächen der Kupferdrähte 24 und die Isolierung um die Kupferdrähte 24 in den Schlitzen 22 des Statorkerns 14. Und in Anbetracht der Größe der Spannungsdifferenz zwischen den Phasen in der Statorwicklung 16 – z. B. mehr als hunderte von Volt während des Betriebs des Motors, um das rotierende Magnetfeld zu induzieren, welches benötigt wird, um ein fahrzeugangemessenes Drehmoment bereitzustellen – sollte die Unversehrtheit jeglichen in dem Stator 10 enthaltenen elektrisch isolierenden Materials möglichst weitgehend erhalten bleiben.
-
In Anbetracht der hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer ist ein Schützen der elektrisch isolierenden Materialien in der Nähe der Kupferdrähte 24 und der Kupferstreifen 44 vor während des Verbindens erzeugter Wärme eine Herausforderung. Falls die durch den Bogen zugeführte Energie zu niedrig ist, wird sie in der Tat einfach durch die Kupferdrähte 24 von der Fügestelle abgeleitet, ohne die zum Schweißen/Hartlöten benötigte lokalisierte Wärme bereitzustellen. Andererseits, falls die durch den Bogen zugeführte Energie zu groß ist, wird die Wärme, welche im Überschuss zu dem erzeugt wird, was zum Schweißen/Hartlöten der Kupferdrähte 24 an Ort und Stelle benötigt wird, die umgebenden elektrisch isolierenden Materialien erreichen und riskieren, diese thermisch zu zersetzen. Das hierin verwendete Bogenschweiß/Hartlötverfahren, welches unten detaillierter beschrieben ist, ist gestaltet, um die Herausforderung des Schweißens/Hartlötens von Kupferstücken zu adressieren, welche zusammen mit anderen wärmeempfindlicheren Materialien auf engem Raum beschränkt sind. Zudem kann das Bogenschweiß/Hartlötverfahren selbst dann angewendet werden, wenn nur ein einseitiger Zugang zu der Verbindungsstelle der Kupferstücke gegeben ist.
-
Das Bogenschweiß/Hartlötverfahren ist steuerbar, um einen Strom zu einer Verbindungsstelle an oder um jeden der Kupferdrähte 24, einer nach dem anderen, zuzuführen, so dass die erzeugte Wärme nahezu der zum Verbinden der hervorstehenden Enden 56 der Kupferdrähte 24 mit dem Kupferstreifen 44 erforderlichen Wärme entspricht. In der Praxis und wie schematisch in 5 dargestellt verwendet das Bogenschweiß/Hartlötverfahren einen nicht verbrauchbaren Elektrodendraht 60, bevorzugt einen Wolframdraht, der in elektrischer Verbindung mit einer Schweißsteuerung 62 steht, um einen einzelnen Bogen an einer Verbindungsstelle auf dem Kupferdraht 24 zu schlagen, während mehrere Parameter des Verfahrens gesteuert werden, welche es ermöglichen, die richtige Menge an Wärme in einem kleinen Zeitfenster entstehen zu lassen. Die Verwendung eines nicht verbrauchbaren Drahts – im Gegensatz zu einem Opferdraht, wie jenem, welcher bei konventionellem MIG Schweißen verwendet wird – erlaubt eine präzisere Steuerung des durch den Bogen zugeführten Stroms, da die Länge des Drahts 60 konstant bleibt, während der Bogen fließt, was Stromschwankungen und andere dynamische Prozessveränderungen vermeidet, welche eine präzise Wärmesteuerung mit einem Opferdraht schwieriger zu realisieren macht. Der Begriff „Schweißen/Hartlöten”, wie hierin verwendet, bezieht sich auf die Flexibilität des Verfahrens, entweder (1) jeden der Kupferdrähte 24 an den Kupferstreifen 44 autogen zu schweißen oder (2) ein vorplatziertes Hartlötmaterial aufzuschmelzen, das jeden der Kupferdrähte 24 benetzt und mit dem Kupferstreifen 44 verbindet. Jedes dieser Verbindungsverfahren wird unten detaillierter diskutiert werden.
-
Der nicht verbrauchbare Elektrodendraht 60 kann jeder geeigneten Bogenschweiß/Hartlötvorrichtung zugeführt und durch diese getragen werden. Beispielsweise, wie hier in 5 gezeigt, erstreckt sich der nicht verbrauchbare Elektrodendraht 60 entlang einer sich longitudinal erstreckenden Achse 600 aus einem Führungsstutzen 64 heraus. Der nicht verbrauchbare Elektrodendraht 60 hat ein Führungsspitzenende 66 und ist entlang der longitudinalen Achse 600 durch einen Drahtmodulator 68, wie einen Servomotor, axial beweglich – sowohl hinausschiebbar als auch zurückziehbar. Eine konzentrisch um den Führungsstutzen 64 angeordnete Schutzgasdüse 70 gibt ein Schutzgas um den nicht verbrauchbaren Elektrodendraht 60 ab, um eine atmosphärische Kontamination der Schweißstelle und des Elektrodendrahts 60 zu verhindern, wenn ein Bogen fließt. Das Schutzgas kann ein Inertgas, wie Argon, Helium oder eine Kombination von Argon und Helium, ein Reaktivgas, wie Kohlenstoffdioxid, oder einige andere geeignete Gase oder Gasmischungen sein. Während der nicht verbrauchbare Elektrodendraht 60 in der Zusammensetzung und Größe variieren kann, ist in vielen Fällen ein Wolframdraht mit einem Durchmesser von 1,0 mm nützlich.
-
Die Schweißsteuerung 62 kommuniziert elektrisch mit dem nicht verbrauchbaren Elektrodendraht und liefert einen Gleichstrom einer negativ orientierten Polung, d. h. der nicht verbrauchbare Elektrodendraht 60 ist als ”negative Elektrode” vorgesehen, was bedeutet, dass der Strom von der Arbeitsverbindungsstelle zu dem Elektrodendraht 60 fließt, wenn ein Bogen geschlagen ist (mit anderen Worten fließen Elektronen von dem Elektrodendraht 60 zu der Verbindungsstelle). Die Schweißsteuerung 62 kann jede Art von Schweiß-Stromversorgung sein, in die eine Computer-Steuerfunktionalität und eine Programmschnittstelle integriert ist, durch welche eine Vielzahl von Verfahrensparametern festgelegt und eingegeben werden kann, wie die durch Fronius USA erhältlichen. Einige der Verfahrensparameter, die in die Schweißsteuerung 62 eingegeben und durch diese gesteuert werden können, umfassen: (1) die Menge an elektrischem Strom, der durch den Bogen fließt; (2) die Geschwindigkeit, mit welcher sich der nicht verbrauchbare Elektrodendraht entlang seiner longitudinalen Achse 100 bewegen kann; und (3) die Zeit, in welcher der nicht verbrauchbare Draht 60 sich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit entlang seiner longitudinalen Achse 600 bewegt, was indirekt einen Abstand zwischen dem Führungsspitzenende 66 und dem Kupferdraht 24 definiert. Durch das Steuern dieser und anderer Verfahrensparameter, wie unten weiter ausgeführt werden wird, kann das Bogenschweiß/Hartlötverfahren und der resultierende Wärmeeintrag präzise kontrolliert werden.
-
Autogenes Bogenschweißverfahren
-
Das Bogenschweiß/Hartlötverfahren kann ausgeführt werden, um jeden der Kupferdrähte 24 mit dem Kupferstreifen 44 auf eine Art autogen zu verschweißen, wie generell in den 6A–6D dargestellt. Zu Beginn werden der ferromagnetische Statorkern 14 und die elektromagnetische Polyphasen-Statorwicklung 16 zusammen gebaut und dann entlang der inneren umlaufenden Wand 20 des Gehäuses 12 angeordnet. Als nächstes werden die unteren Ringträger 28 auf der Statorwicklung 16 angebracht. Dies wird durch Absetzen der unteren Ringträger 28 auf die Statorwicklung 16 bewerkstelligt, so dass die hervorstehenden Enden 56 der Vielzahl von Paaren von Kupferdrähten 24 in den zugehörigen Löchern 52 der Kupferstreifen 44 empfangen und durch diese hindurch geführt werden. Ein(ige) Abschnitt(e) des zu verbindenden Kupferdrahts (der zu verbindenden Kupferdrähte) 24 kann (können) zu dieser Zeit geerdet sein. Die Bogenschweiß/Hartlötvorrichtung wird dann zur Vorbereitung des Schweißens/Lötens in der Nähe eines der Kupferstreifen 24 angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bogenschweiß/Hartlötvorrichtung robotisch mit Hilfe einer Automatisierungsausrüstung platziert, obwohl es sicherlich auch akzeptabel ist, die zusammengesetzten Statorkomponenten zu einer stationären Bogenschweiß/Hartlötvorrichtung zu bringen und/oder die Bogenschweiß/Hartlötvorrichtung und die zusammengesetzten Statorkomponenten manuell relativ zueinander zu platzieren.
-
Jedes der zwei hervorstehenden Enden 56 der Kupferdrähte 24 wird separat durch die Bogenschweiß-/Hartlötvorrichtung mit dem Kupferstreifen 44 autogen verschweißt (d. h. eines nach dem anderen). In jedem Fall umfasst das autogene Bogenschweißverfahren vier Schritte, welche in 6A–6D schematisch dargestellt sind. Diese Schritte sind (1) der Bogen-Initiierungsschritt, (2) der Draht-Zurückziehschritt, (3) der Draht-Vorschubschritt und (4) der Bogen-Auslöschschritt. In dem Bogen-Initiierungsschritt (6A–6B) wird das Führungsspitzenende 66 des nicht verbrauchbaren Elektrodendrahts 60 entlang der longitudinalen Achse 600 vorgeschoben, bis es mit dem hervorstehenden Ende 56 des Kupferdrahts 24 in Kontakt gerät. Die Schweißsteuerung 62 bewirkt dann gemäß programmierten Vorgaben die Zuführung von Gleichstrom zu dem nicht verbrauchbaren Elektrodendraht 60. Die Menge an dem nicht verbrauchbaren Elektrodendraht 60 zugeführten Strom ist so gesetzt, dass ein Bogen schlagen wird, wenn das Führungsspitzenende 66 nachfolgend von dem Kontakt mit dem Kupferdraht 24 getrennt wird. Die exakte Menge dieses angewendeten Stroms hängt von der Größe des Kupferdrahts 24 und der Zusammensetzung und dem Durchmesser des Drahts 60 ab. Beispielsweise ist ein Strom zwischen 150 A und 250 A und bevorzugt 200 A angemessen für einen Wolfram-Elektrodendraht mit einem Durchmesser von 1 mm, der mit einem Kupferdraht 24 mit einem rechteckigen Querschnitt von 2 mm auf 2 mm in Kontakt gebracht ist.
-
Während sich die Bogen-Initiierungsphase noch in Betrieb befindet, wird der nicht verbrauchbare Elektrodendraht 600 vom Kontakt mit dem Kupferdraht 24 entlang seiner longitudinalen Achse 600 zurückgezogen, was in der Bildung eines Spalts 72 resultiert, welcher einen Abstand zwischen dem Führungsspitzenende 66 des Elektrodendrahts 60 und dem Kupferdraht 24 abdeckt (6B). Der darauf folgende Spannungsabfall über den Spalt 72 bewirkt, dass ein Bogen 74 zwischen dem Führungsspitzenende 66 des nicht verbrauchbaren Elektrodendrahts 60 und dem Kupferdraht 24 geschlagen wird, wobei aufgrund der negativ orientierten Polung mit der Schweißsteuerung 62 Strom in das Spitzenende 66 des Drahts 60 fließt. Der Strom, der von dem Kupferdraht 24 durch den Bogen 74 in den Elektrodendraht 60 fließt, erwärmt und initiiert wiederum ein Schmelzen des Kupferdrahts 24. In einem Bestreben, den anfänglichen Wärmefluss in den Kupferdraht 24 über die Dauer des autogenen Schweißverfahrens besser zu steuern, kann das Führungsspitzenende 66 des nicht verbrauchbaren Elektrodendrahts 60 anfänglich auf einen Vorlaufabstand 76 von dem Kupferdraht 24 weggezogen werden, um den Spannungsabfall über den Spalt 72 zu stabilisieren. Der genaue Vorlaufabstand kann von Faktoren, wie der Größe des Kupferdrahts 24, der Zusammensetzung und dem Durchmesser des nicht verbrauchbaren Elektrodendrahts 60 und dem durch den Bogen 74 fließenden Strom abhängen. Als ein Beispiel ist jedoch ein Vorlaufabstand von 0,7 mm bis 1,3 mm für einen 1 mm Wolfram-Elektrodendraht allgemein anwendbar, der 200 A mit einem Kupferdraht mit einem 2 mm auf 2 mm rechteckigen Querschnitt austauscht.
-
Die Draht-Zurückziehphase (6B–6C) beginnt nach dem das Führungsspitzenende 66 des nicht verbrauchbaren Elektrodendrahts 60 den Vorlaufabstand 76 erreicht hat. Während dieser Phase kann der nicht verbrauchbare Elektrodendraht 60 optional weiter entlang seiner longitudinalen Achse 600 zurückgezogen werden, um die Größe des Spalts 72 und damit den Abstand zwischen dem Führungsspitzenende 66 des Elektrodendrahts 60 und dem Kupferdraht 24 zu vergrößern. Das weitere Zurückziehen des nicht verbrauchbaren Elektrodendrahts 60 erlaubt es zusätzlich, den Wärmefluss und den gesamten Wärmeeintrag in den Kupferdraht 24 in einer kontrollierten Weise zu variieren. Insbesondere wenn der Abstand des Spalts 72 vergrößert wird, während der Bogen 74 fließt, reagiert der Spannungsabfall über den Spalt 72, um die programmierte Menge an Stromfluss dann über einen größeren Bereich aufrechtzuerhalten. Mehrere Verfahrensparameter, die in die Schweißsteuerung 62 programmiert werden und während der Draht-Zurückziehphase gesteuert werden können, umfassen die Geschwindigkeit, mit welcher der nicht verbrauchbare Elektrodendraht zurückgezogen wird, die Menge an Strom, der während des Zurückziehens durch den Bogen 74 fließt, und die Zeit, für welche der Elektrodendraht 60 zurückgezogen wird (und daher den Abstand des Spalts 72), um nur ein paar zu nennen. Während diese Verfahrensparameter über weite Bereiche angepasst werden können, um zu dem jeweiligen durchgeführten autogenen Bogenschweißverfahren zu passen, kann die Zurückziehgeschwindigkeit in vielen Fällen auf zwischen 0 und 600 ipm (Zoll pro Minute) gesetzt werden, der Strom kann auf zwischen 80 A und 300 A gesetzt werden und die Zurückziehzeit kann auf zwischen 30 ms und 150 ms gesetzt werden.
-
Der Wärmefluss in den Kupferdraht 24 kann während der Draht-Zurückziehphase durch Variation einiger oder aller der zuvor genannten Verfahrensparameter erhöht, verringert oder konstant gehalten werden. Beispielsweise kann der Wärmefluss erhöht werden, indem die Schweißsteuerung 62 angewiesen wird, den nicht verbrauchbaren Elektrodendraht 60 mit einer Geschwindigkeit über einen Zeitraum zurückzuziehen, um den Abstand des Spalts 72 zwischen dem Führungsspitzenende 66 des nicht verbrauchbaren Elektrodendrahts 60 und dem Kupferdraht 24 zu vergrößern, während die Menge des Stroms, der durch den Bogen 74 fließt, konstant gehalten wird. Auf diese Weise wird der Spannungsabfall über den Spalt 72 ansteigen, um einen konstanten Strom aufrecht zu erhalten, was mehr Wärme an dem Kupferdraht 24 erzeugen und den Strom, der durch den Bogen 74 fließt, über einen größeren Bereich ausbreiten wird. Bei einem anderen Beispiel kann der Wärmefluss verringert werden, indem die Schweißsteuerung 62 angewiesen wird, den nicht verbrauchbaren Elektrodendraht 60 mit einer Geschwindigkeit über einen Zeitraum zurückzuziehen, während die Menge an Stromfluss verringert wird. Die resultierende Abnahme des Spannungsabfalls über den Spalt 72 wird weniger Wärme an dem Kupferdraht 24 erzeugen. Zudem kann bei einem noch anderen Beispiel der nicht verbrauchbare Elektrodendraht 60 überhaupt nicht von dem Vorlaufabstand zurückgezogen werden (d. h. Zurückziehgeschwindigkeit = 0), sondern stattdessen für einen Zeitraum an Ort und Stelle gehalten werden, während der Strom, falls benötigt, variiert wird, um die Wärmetransferrate während der Draht-Zurückziehphase konstant zu halten.
-
Die Draht-Vorschubphase (6C–6D) folgt der Draht-Zurückziehphase. Bei der Draht-Förderungsphase wird der nicht verbrauchbare Elektrodendraht 60 entlang seiner longitudinalen Achse 600 vorgeschoben, so dass das Führungsspitzenende 66 des Elektrodendrahts 60 zu dem Kupferdraht 24 vorgeschoben, um den Abstand des Spalts 72 zu verringern. Das Vorschieben des nicht verbrauchbaren Elektrodendrahts 60 stellt eine noch weitere Möglichkeit dar, um den Wärmefluss in den Kupferdraht 24 zu variieren und zu steuern. Ähnlich wie zuvor reagiert der Spannungsabfall über den Spalt 72, wenn der Abstand des Spalts 72 verringert wird, während der Bogen 74 fließt, um die programmierte Menge an Stromfluss über einen kleineren Bereich aufrecht zu erhalten. Hier, während dieser Phase, umfassen die in die Schweißsteuerung 62 programmierten und während der Draht-Vorschubphase gesteuerten Verfahrensparameter die Geschwindigkeit, mit welcher der nicht verbrauchbare Elektrodendraht 60 vordringt, und die Menge an Strom, der während des Vordringens durch den Bogen 74 fließt. Die Vorschubzeit ist im Allgemeinen nicht spezifiziert, da das Schließen des Spalts 72 durch In-Kontakt bringen des Führungsspitzenendes 66 des Elektrodendrahts 60 mit dem Kupferdraht 24 das Ende der Draht-Vorschubphase bedeutet. Der Wärmefluss in den Kupferdraht 24 kann während der Draht-Vorschubphase durch Variation einiger oder aller der zuvor genannten Parameter erhöht, verringert oder konstant gehalten werden, um die oben diskutierten erwünschten Effekte zu erzielen. Wie zuvor kann in vielen Fällen die Vorschubgeschwindigkeit auf zwischen 0 und 600 ipm (Zoll pro Minute) gesetzt werden und der Strom auf zwischen 80 A und 300 A gesetzt werden.
-
Bis zu diesem Punkt und während der Bogen-Initiierungs-, Draht-Zurückzieh- und Draht-Vorschubphasen hat der Austausch einer gesteuerten Menge an Strom durch den Bogen 74 den Kupferdraht 74 und möglicherweise den an das Loch 52 angrenzenden Kupferstreifen 44 veranlasst, kontinuierlich zu schmelzen und sich zu verbinden. Letztendlich wird die Draht-Auslöschphase – als Konsequenz des Vorschiebens des nicht verbrauchbaren Elektrodendrahts 60 (6D) – initiiert, wenn das Führungsspitzenende 66 des Elektrodendrahts 60 wieder in Eingriff gerät und einen Kontakt mit dem Kupferdraht 24 eingeht. An diesem Punkt werden die zwei Drähte 60, 24 kurzgeschlossen und der Bogen 74 erlischt, was den Wärmefluss in den Kupferdraht 24 und den Kupferstreifen 44 beendet. Das Führungsspitzenende 66 des Elektrodendrahts 60 wird dann von dem Kupferstreifen 24 zurückgezogen, ohne dass erneut ein Bogen geschlagen wird, um sicherzustellen, dass das Führungsspitzenende 66 nicht an dem abkühlenden Kupferdraht 24 klebt. Um zu unterstützen, dass dieses abschließende Zurückziehen während der Bogen-Auslöschphase stattfindet, kann ein elektrischer Strom kurzer Dauer an den Elektrodendraht 60 abgegeben werden, während sein Zurückziehen beginnt, wobei der Strom aufgrund der negativ orientierten Polung der Schweißsteuerung 62 in das Spitzenende 66 des Drahts 60 fließt. Der elektrische Strom kann beispielsweise auf zwischen 170 A und 190 A, bevorzugt 180 A gesetzt werden und für einen Zeitraum von 3 ms bis 5 ms andauern.
-
Das Anhalten des Wärmeflusses in den Kupferdraht 24, nachdem der Bogen 74 erloschen ist, erlaubt es den geschmolzenen Abschnitten des Kupferdrahts 24 und des Kupferstreifen 44 sich zu verfestigen und zusammenzuschmelzen, wodurch eine autogene Schweißverbindung 78 gebildet wird. Die vier Phasen des autogenen Schweißverfahrens schlagen daher einen einzigen Bogen 74 zwischen dem nicht verbrauchbaren Elektrodendraht 60 und dem Kupferdraht 24, der ausreichend ist, um den Kupferdraht 24 autogen mit dem Kupferstreifen 44 zu verschweißen. Und hier kann als ein zusätzlicher Nutzen der Wärmefluss und der gesamte Wärmeeintrag durch Programmieren und Anpassen der notwendigen vielfältigen Verfahrensparameter (z. B. Bogen-Initiierungsstrom, Draht-Zurückziehgeschwindigkeit, Zurückziehphasen-Strom, Zurückziehphasen-Zeit, Draht-Vorschubgeschwindigkeit, Draht-Vorschubzeit usw.) präzise gesteuert werden, um eine unerwünschte thermische Beschädigung von in der Nähe befindlichen wärmeempfindlichen Materialien zu vermeiden.
-
Ein Ausführungsbeispiel des autogenen Schweißverfahrens umfasst das Verbinden eines Kupferdrahts mit einem 2 mm auf 2 mm rechteckigen Querschnitt mit einem Kupferstreifen eines unteren Ringträgers, unter Verwendung eines Wolfram-Elektrodendrahts mit einem Durchmesser von 1 mm, der in einer negativ orientierten Polung mit einer Schweißsteuerung gekoppelt ist. Um den Bogen zu initiieren, wird das Führungsspitzenende des Wolfram-Elektrodendrahts vorgeschoben, bis es den Kupferdraht kontaktiert. Ein Strom von 200 A wurde dann durch die sich berührenden Drähte geleitet. Anschließend, als Teil der Bogen-Initiierungsphase, wurde der Wolframdraht auf einen anfänglichen Vorlaufabstand von 1 mm zurückgezogen und ein Bogen wurde über den resultierenden Spalt geschlagen. Dann, während der Draht-Zurückziehphase, welche begann, nachdem der Wolframdraht den Vorlaufabstand erreicht hat, wurde der Draht für 90 ms an Ort und Stelle gehalten (d. h. Zurückziehgeschwindigkeit von 0), während ein Strom von 200 A ausgetauscht wurde. Nach der Draht-Zurückziehphase wurde der Wolframdraht in Richtungen des Kupferdrahts mit einer Geschwindigkeit von 600 ipm vorgeschoben, während, wie zuvor während der Draht-Zurückziehphase, ein Strom von 200 A ausgetauscht wurde. Letztendlich stellte das Führungsspitzenende des Wolframdrahts einen Kontakt dem Kupferdraht her und löschte den Bogen aus (Draht-Auslöschphase). Das Führungsspitzenende des Wolframdrahts wurde dann von dem Kupferdraht zurückgezogen, ohne dass erneut ein Bogen geschlagen wurde, während ein Strom von 180 A ausgetauscht wurde. Die autogene Schweißung wurde dann beobachtet, wo man sah, dass eine erfolgreiche Schweißverbindung erzielt wurde, ohne Beschädigung des Drahtlacks des Kupferdrahts oder Wärmefärbung des Kupferstreifens. Die Verfahrensparameter bei diesem Beispiel wurden daher gesteuert, um eine Schmelzverbindung mit dem richtigen Wärmefluss und Gesamtwärmeeintrag zu bilden, während die Menge an Wärme, welche von der Fügestelle zu den wärmeempfindlichen Systemkomponenten weggeleitet wird, minimiert wurde.
-
Bogenhartlötverfahren
-
Das Bogenschweiß/Hartlötverfahren kann, falls erwünscht, auch durchgeführt werden, um jeden der Kupferdrähte 24 (einen nach dem anderen) mit dem Kupferstreifen 44 zu verlöten. Wie zuvor bei der Ausführungsform des autogenen Schweißens werden zu Beginn die unteren Ringträger 28 auf der Statorwicklung 16 eingebracht, nachdem der Statorkern 14 und die Statorwicklung 16 zusammengebaut und entlang der inneren umlaufenden Wand 20 des Gehäuses 12 angeordnet worden sind. Ein(ige) Abschnitt(e) des zu verbindenden Kupferdrahts (der zu verbindenden Kupferdrähte) 24 kann bzw. können zu dieser Zeit geerdet sein. Die Bogenschweiß/Hartlötvorrichtung wird dann in der Nähe eines der Kupferstreifen 44 angeordnet, wie zuvor beschrieben. Hier wird jedoch als Teil des Bogenhartlötverfahrens ein vorplatzierbares festes Hartlötmaterial 80 innerhalb der herabgesetzten Vertiefung 54 des Kupferstreifens 44 neben dem Kupferdraht 24 platziert, bevor ein Bogen an der Verbindungsstelle geschlagen wird, wie in 7 gezeigt. Das Hartlötmaterial 80 kann aus einer Hartlötzusammensetzung aus Kupfer-Silber-Phosphor (Cu-Ag-P) zusammengesetzt sein, die beispielsweise in Gewichtsprozent 70%–95% Kupfer, 2%–20% Silber und 3%–8% Phosphor umfasst. Eine solche Hartlötzusammensetzung weist eine Schmelztemperatur (etwa 640°C–820°C) unter dem Schmelzpunkt von Kupfer auf (etwa 1085°C) und ist zusätzlich selbst fließend, insofern es während des Schmelzens Oxide und andere Kontaminanten von dem Verbindungsbereich entfernt und aufgrund der hohen Affinität des Phosphors für Sauerstoff den Verbindungsbereich vor einer atmosphärischen Verunreinigung zusätzlich abschirmt.
-
Das vorplatzierbare feste Hartlötmaterial kann einen vorplatzierbaren Kragen 82 umfassen, der, wie in 7 gezeigt, einen Randabschnitt 84 aufweist, welcher eine zentrale Öffnung 86 definiert. Der vorplatzierbare Kragen 82 ist durch einfaches Einführen des hervorstehenden Endes 56 des Drahts 24 durch die zentrale Öffnung 86 und Schieben des vorplatzierbaren Kragens 82 entlang des Drahts 24 in die herabgesetzte Vertiefung 54 auf einem der Kupferdrähte 24 fixierbar. Zu diesem Zweck können zwei vorplatzierbare Kragen 82 auf jedem der Kupferstreifen 44 der zwei unteren Ringträger 28 eingesetzt werden – einer für jeden Kupferdraht 24, der durch den Kupferstreifen 44 hoch ragt. Und während viele Techniken zum Konstruieren des vorplatzierbaren Kragens (der vorplatzierbaren Kragen) 82 existieren, umfasst eine geeignete Technik ein Herstellen vieler Kragen in einem Hartlötmaterial-Blatt 88 aus der gewünschten Hartlötzusammensetzung, wie in 9 dargestellt. Metallverarbeitungsverfahren, wie unter anderem Stanzen, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Plasmaschneiden und Fräsen, können zum Herstellen vieler vorplatzierbarer Kragen 82 zusammen mit einem trennbaren Bindungsstück 90 in dem Hartlötmaterial-Blatt 88 verwendet werden.
-
Sobald das vorplatzierbare feste Hartlötmaterial 80 innerhalb der herabgesetzten Vertiefung 54 neben dem Kupferdraht 24 platziert ist, wird das hervorstehende Ende 56 des Kupferdrahts 24 durch die Bogenschweiß/Hartlötvorrichtung mit dem Kupferstreifen 44 verlötet. Das Hartlötverfahren läuft entlang der gleichen vier Phasen ab, wie oben bezüglich der Ausführungsform des autogenen Bogenschweißens diskutiert und in den 8A–8D dargestellt wurde. D. h. eine Bogen-Initiierungsphase, eine Draht-Zurückziehphase, eine Draht-Vorschubphase und eine Draht-Auslöschphase werden alle mit der Möglichkeit ausgeführt, die gleichen Schweißparameter zu programmieren und anzupassen (zum Beispiel Bogen-Initiierungsstrom, Draht-Zurückziehgeschwindigkeit, Zurückziehphasen-Strom, Zurückziehphasen-Zeit, Draht-Vorschubgeschwindigkeit, Draht-Vorschubzeit usw.), um den Wärmefluss und den gesamten Wärmeeintrag in den Kupferdraht 24 zu beeinflussen. Die durch das Bogen-Hartlötverfahren erzeugte Wärme kann jedoch gesteuert werden, um nur das Hartlötmaterial 80 und nicht den Kupferdraht 24 zu schmelzen – nicht wie zuvor bei dem autogenen Bogenschweißverfahren – aufgrund der Tatsache, dass das Hartlötmaterial 80 bei einer niedrigeren Temperatur als der Schmelztemperatur von Kupfer vollständig geschmolzen werden kann. Sobald es aufgeschmolzen ist, fließt das Hartlötmaterial 80 herum und benetzt innerhalb der herabgesetzten Vertiefung 54 sowohl den Kupferdraht 24 als auch den Kupferstreifen 44. Das geschmolzene Hartlötmaterial verfestigt sich letztendlich zu einer Hartlötverbindung 90, nachdem der Bogen 74 erloschen ist.
-
Die obige Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und die zugehörigen Beispiele sind lediglich beschreibender Natur. Sie sind nicht dazu gedacht, den Schutzbereich der folgenden Ansprüche zu beschränken. Jedem der in den angehängten Ansprüchen verwendeten Begriffe soll seine übliche und gewöhnliche Bedeutung gegeben werden, sofern es nicht speziell und unzweideutig in der Beschreibung anders ausgeführt ist.
