-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion, insbesondere für Kondensatoren oder dergleichen elektrische oder elektronische Bauelemente, wobei die Verbindung aus einem steifen, drahtförmigen, ersten sowie einem dünnwandigen, band- oder streifenartigen, blech- oder folienförmigen, zweiten Verbindungselement besteht sowie zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungselement an einer Kontakt- und Verbindungsstelle Stoffschluss vorliegt gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
-
Aus der
DD 213 092 A1 sind elektrische Kondensatoren auch großer Blindleistung vorbekannt, welche ein Abschaltelement besitzen. Gemäß der dortigen Aufgabe wird eine Abschaltsicherung vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass die in ihr erzeugte Verlustwärme klein bleibt und dass bei geringerer Schaltkraft gleichzeitig ein sicheres Abschalten vom Netz möglich ist.
-
Dies wird dadurch erreicht, dass die aus Leitermaterial gebildete Abschaltsicherung aus einem blechförmigen und bis zu einem erforderlichen Querschnitt der Stromstärke entsprechend eingeschnittenen Streifen gebildet ist, wobei ein Teilstreifen so um 180° gebogen wird, dass dieser bei Zugbelastung infolge eine Überdruckes im Kondensator einer Abtrennung unterliegt, so dass gleichzeitig der defekte Kondensator von der Spannungsquelle getrennt wird.
-
Beispielsweise aus der
DD 114 165 A1 ist das Grundprinzip von Abreißsicherungen vorbekannt, bei welchen auf eine Sollbruchstelle mit vermindertem Querschnitt eingegangen wird, der durch Quetschen oder Abtragen eines Teiles der Querschnittsfläche eines Leiters erzielt wird.
-
Nachteilig ist bei derartigen Sollbruchstellen die Tatsache, dass durch die Querschnittsverminderung eine Stromengstelle entsteht, die eine Widerstandserhöhung und damit zusätzliche Stromwärmeverluste zur Folge hat.
-
Bei dem elektrischen Kondensator mit niedriger Eigeninduktivität nach
DD 264 781 A1 werden als Verbindungselemente zwischen dem Kondensatorwickel und den äußeren Anschlüssen streifen- oder bandförmige Leiter verwendet, die in Höhe der oberen Kontaktschicht beidseitig auf einem überstehenden Isolationsträger aufgebracht sind und so als Bandleiter zu den äußeren Anschlüssen führbar sind. Als Anschlüsse an die bandförmigen Leiter dienen rechtwinkelig angesetzte mit Gewinde versehene Schaltstücke. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
DD 264 781 A1 ist eine Überdruck-Abreißsicherung realisiert, wobei hierfür in dem bandförmigen Leiter eine Sollbruchstelle, zum Beispiel in Form einer Kerbe oder eines gestanzten Loches eingebracht ist. Im Kondensatorbecher befindet sich eine gestauchte Sicke, die sich bei Überdruck öffnet und so eine Gehäuseverlängerung und das Abreißen des betreffenden Leiters bewirkt.
-
Bei dem Kondensator mit Abreißsicherung nach
CH 472103 ist der Abreißdraht an seinem aus dem Kondensatorgehäusedeckel herausragenden Ende derartig verformt, dass das herausragende Drahtende bei einer Streckung des Gehäuses vom Deckel mitgenommen wird. Das betreffende herausragende Ende des Abreißdrahtes ist bei einer Ausführungsform abgebogen und bei einer weiteren Variante gequetscht.
-
Bekannt sind weiterhin Lösungen zum Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen. Dabei ist das sogenannte Rührreibschweißen ein Verfahren, bei dem die Prozesswärme und der notwendige Druck von einem Werkzeug durch Rotation erzeugt wird. Das Werkzeug besteht aus einem rotierenden Zapfen, an dem ein Stift zentrisch befestigt sein kann. Der Stift ist üblicherweise kürzer als die zu verschweißende Materialdicke und wird rotierend in die Stoßflächen der Werkstücke gedrückt. Selbige werden gegeneinander und auf einer Unterlage befestigt, um die wirkenden Kräfte aufzunehmen. Ähnlich wie beim Reibschweißen wird der Werkstoff aufgrund der entstehenden Reibungswärme plastifiziert und dann vom Werkzeug nach oben und außen transportiert. Durch die Unterlage und die Stirnfläche des Werkzeugzapfens bleibt das Schweißgut im Stoß eingeschlossen und bildet die Schweißnaht. Mit einem derartigen Verfahren sind sowohl linien- als auch punktförmige Verbindungen im Stumpf- und Überlappstoß möglich.
-
Ein Werkzeug zum Herstellen derartiger Reibschweißverbindungen ist beispielsweise in der
DE 10 2012 112 413 A1 offenbart. Mit dem vorbekannten Werkzeug kann eine Reibschweißverbindung zwischen einem Draht und dem Substrat realisiert werden, wobei zusätzlich die Anwendung von Ultraschallenergie erforderlich ist. Nach der Verformung und zu Beginn oder während des Ausführens der Ultraschallbiegeschwingungen liegt hier eine Kontakthilfsfläche, welche zum Zeitpunkt des Aktivierens der Ultraschallquelle den Draht nicht berührt, infolge einer weiteren Verformung des Drahtes und/oder einer weiteren Absenkung des Werkzeuges in Richtung des Substrats an dem Draht an. Hierdurch soll die Verbindungsqualität und somit das Ergebnis der Reibschweißung verbessert werden.
-
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte elektrische Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion, insbesondere für Kondensatoren oder dergleichen elektrischer oder elektronischer Bauelemente anzugeben, wobei die Verbindung zum einen eine hohe Stromtragfähigkeit und damit Impulsstromfestigkeit besitzen soll und andererseits aber mit dem Aufbringen definierter Kräfte ein sicheres Erreichen der gewünschten Abreißfunktion möglich wird. Ein thermisch bedingtes Zerstören der elektrischen Verbindung, wenn beispielsweise infolge von Kurzschlüssen eine hohe Impulsstrombelastung im Kondensator vorliegt, soll unterbunden werden. Insofern stellt sich der Erfindung die Aufgabe, den Widerspruch zwischen einer hohen Stromtragfähigkeit und einer für die Abreißfunktion notwendigen elektrischen Trennstelle zu sichern, andererseits aber zu gewährleisten, dass eine sichere Abreißfunktion gegeben ist, und zwar ohne dass zu hohe Kräfte auf die Trennstelle einwirken müssen oder dass die Notwendigkeit besteht, diesbezüglich kraftverstärkende Maßnahmen vorzusehen, die die Kosten für eine derartige Abreißsicherung erhöhen.
-
Ein weiteres erfindungsgemäß zu lösendes Problem besteht darin, dass die elektrische Verbindungsanordnung von einem steifen, drahtförmigen, ersten Verbindungselement ausgeht, das mit einem zweiten Verbindungselement zu kontaktieren ist, welches hingegen dünnwandig, band- oder streifenförmig bzw. blech- oder folienförmig ist. Damit besitzen die zu verbindenden Elemente völlig unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich ihrer Stabilität, was dazu führte, dass im Stand der Technik üblicherweise großflächige Lötverbindungen zwischen dem drahtförmigen Leiter und dem bandförmigen Anschlussstreifen realisiert wurden und im Leiter die eingangs erwähnte Einkerbung mit Abreißfunktion ausgebildet wurde, mit dem Nachteil der hierdurch entstehenden Stromengstelle.
-
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der elektrischen Verbindungsanordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
-
Die Erfindung geht also von einer elektrischen Verbindungsanordnung mit Abreißfunktion insbesondere für Kondensatoren oder ähnliche elektrische oder elektronische Bauelemente aus. Die Verbindung umfasst ein erstes, steifes, drahtförmiges Verbindungselement und ein zweites, band- oder streifenartiges, blech- oder folienförmiges, dünnwandiges zweites Verbindungselement. Zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungselement wird eine Kontakt- und Verbindungsstelle durch Stoffschluss geschaffen.
-
Erfindungsgemäß ist die Kontakt- und Verbindungsstelle durch Rührreibschweißen realisiert, wobei der Rührreibschweißverbindungsbereich eine mechanische Abreißsicherung mit definierter Abreißkraft und hoher Impulsstromtragfähigkeit bildet.
-
Ein erster Grundgedanke liegt also in der Anwendung des an sich bekannten Rührreibschweißens für die Ausbildung einer elektrischen Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion, wobei gemäß dem weiteren Erfindungsgedanken die eigentliche Rührreibschweißverbindung die Abreißsicherung darstellt.
-
Die so geschaffene stromtragfähige Verbindung zwischen drahtförmigem Leiter einerseits und bandförmigen Leiter andererseits ist insbesondere für Hochleistungskondensatoren einsetzbar und vorteilhaft.
-
Es besteht keine Notwendigkeit, eine mechanische Einengung zur Bildung definierter Abreißkräfte vorzusehen, so dass nachteilige Stromengstellen vermeidbar sind. Die Verbindung von Kontaktdraht mit Kupferbändchen durch Reibschweißen und die hierbei variierbaren Parameter gestatten die Möglichkeit der Schaffung ausreichend stromtragfähiger elektrischer Kontakte und als Gewährleisten reproduzierbare Ausreißkräfte des Drahtes bezogen auf die Kupferfolie bzw. das Kupferband.
-
Zur Ausbildung der Rührreibschweißverbindung eignet sich im Ergebnis umfangreicher Versuche insbesondere das Rührreibpunktschweißen.
-
In bevorzugter Weise ist das erste Verbindungselement mit einer Stirnfläche im Wesentlichen senkrecht auf einem Oberflächenabschnitt des zweiten Verbindungselementes stehend durch das erwähnte Rührreibschweißen verbunden.
-
Die Anbringung der Fügepartner findet dabei so statt, dass die Oberfläche des zweiten Verbindungselementes, das heißt des band- oder streifenförmigen bzw. blech- oder folienförmigen Teiles zur Stirnseite des Drahtes angeordnet ist und eine Überlappung vorgesehen wird. Der so entstehende Überlappstoß wird im Anschluss durch das eingesetzte rotierende Reibwerkzeug gefügt, welches überwiegend in das zweite Verbindungselement eintaucht. Im Besonderen ist wegen Fügepartnerpositionierung ein Überstand des steifen, drahtförmigen, ersten Verbindungselementes vorzusehen, so dass zusätzliches Material bereitsteht, um das in der Fügezone zu erwärmende und zu transportierende Materialvolumen zu erhöhen.
-
Bei einer Ausführungsform können Kavitäten an der Stirnseite des notwendigen Werkzeuges vorgesehen sein, um einen Drahtüberstand über eine Bohrung oder Ausnehmung im blechförmigen Fügepartner, das heißt dem zweiten Verbindungselement, zuzulassen und somit überstehendes Material ergänzend zur Plastifizierung bereitzustellen und über die Zustellbewegung des Werkzeuges im Bereich der Verbindungszone umzuformen und mit dem dünnwandigen, blechförmigen, ersten Verbindungselement zu verbinden.
-
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass mit dem Anwenden des Rührreibschweißverfahrens zur Ausbildung einer elektrischen Verbindungsanordnung diese zwischen zwei völlig unterschiedlich geformten Kontaktelementen realisierbar ist, ohne dass das Aufschmelzen der Grundwerkstoffe oder eines Zusatzwerkstoffes erforderlich ist. Durch die Positionierung der Werkstücke, das heißt des ersten und zweiten Verbindungselementes sowie dem lokalen, reibbasierten Energieeintrag, können auch dünnwandige bzw. mechanisch gering belastbarere Bauteile gefügt werden, ohne dass es zu einer signifikanten Verformung außerhalb der eigentlichen Fügezone kommt. Darüber hinaus kann über die Prozessführung und die resultierende Anbindungsfläche ein geforderter Festigkeitsbereich bzw. eine Vorgabe der Abreißkraft eingestellt werden.
-
Während des eigentlichen Reibschweißvorganges wirkt das rotierende Reibschweißwerkzeug auf die der Stirnfläche des ersten Verbindungselementes gegenüberliegende freie Oberfläche des zweiten Verbindungselementes ein.
-
Das erste Verbindungselement besitzt letztendlich außerhalb der Kontakt- und Verbindungsstelle keine Stromengstellen, wie es beim Stand der Technik erforderlich ist, um eine Abreißfunktion zu bewerkstelligen.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des ersten Verbindungselementes, das heißt des Drahtes, und der Dicke des zweiten Verbindungselementes, das heißt des Bandes oder der Folie, im Bereich von 5:1 bis 20:1.
-
Bevorzugt liegt der Durchmesser des ersten Verbindungselementes im Bereich von 1,5 bis 3 mm und es liegt die Dicke des zweiten Verbindungselementes im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm.
-
In dem Abschnitt der Kontakt- und Verbindungsstelle weist in einer Ausbildung der Erfindung das zweite Verbindungselement eine reduzierte Breite auf. Dabei kann es sich um eine konisch verlaufende Verjüngung in Verbindung mit einem definierten Rundungsradius oder um die Ausbildung einer Spitze handeln.
-
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf Figuren sowie fotorealistischen Darstellungen näher erläutert werden.
-
Hierbei zeigen:
-
1 und 2 perspektivische Darstellungen einer bekannten elektrischen Verbindungsanordnung für Leistungskondensatoren mit Abreißsicherungsfunktion mit erkennbarem bandförmigem Anschlusselement in Form einer Kupferfolie, großflächigem Lötkontakt sowie einem drahtförmigen Leiter mit Quetschung (1) und Ausstanzung (2) zur Bildung einer Abreißschwächungsstelle, die gleichzeitig zu einer nachteiligen Stromengstelle führt;
-
3 eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Ausbildung einer elektrischen Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion, wobei die Kontakt- und Verbindungsstelle durch Rührreibschweißen realisiert ist und der Rührreibschweißverbindungsbereich die mechanische Abreißsicherung mit definierter Abreißkraft und hoher Impulsstromtragfähigkeit bildet;
-
4 eine fotorealistische Darstellung der Draufsicht auf die Kontakt- und Verbindungsstelle, betrachtet von der Drahtseite, das heißt von der Seite des ersten Verbindungselementes her;
-
5 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 4, jedoch von der Unterseite, das heißt von der Seite aus, auf welche das Reibschweißwerkzeug einwirkt;
-
6 einen Mikroschliff der Verbindungsstelle, welche gleichzeitig die eigentliche mechanische Abreißsicherung darstellt; und
-
7 eine Seitenansicht sowie eine Draufsicht der elektrischen Verbindungsanordnung mit Kontakt- und Verbindungsstelle durch Rührreibschweißen realisiert mit beispielhaften Material- und Bemessungsangaben sowie der Geometrie des zweiten, bandförmigen Verbindungselementes im Bereich der Kontakt- und Verbindungsstelle.
-
Die 1 und 2 zeigen eine prinzipielle Ausbildung einer elektrischen Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion, wie sie beispielsweise bei Leistungskondensatoren zum Einsatz kommt, um zu verhindern, dass bei Überlastungssituationen die Gefahr des Explodierens des Kondensators besteht, indem durch die Abreißsicherung eine elektrische Netztrennung vorgenommen wird.
-
Die in den 1 und 2 gezeigte elektrische Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion geht von einem steifen, drahtförmigen ersten Verbindungselement 1 und einem dünnwandigen, band- oder streifenartigen, blech- oder folienförmigen, zweiten Verbindungselement 2 aus.
-
Im Bereich einer großflächigen Lötung 3, die durch Aufquetschen eines Endes des ersten Verbindungselementes 1 entstanden ist, liegt ein Stoffschluss zwischen dem ersten Verbindungselement 1 und dem zweiten Verbindungselement 2 vor.
-
Zum Erhalt einer Abreißsicherung wird im ersten, drahtförmigen Verbindungselement 1 eine Quetschung 4 oder eine Ausklinkung oder Ausstanzung 5 realisiert.
-
Durch diese materialseitigen Einwirkungen und Veränderungen in der Struktur des ersten Verbindungselementes findet unter mechanischer Krafteinwirkung ein Zerstörungsvorgang statt, so dass die elektrische Sicherungsfunktion gegeben ist.
-
Die Quetschung 4 bzw. die Ausstanzung 5 hat bei entsprechender Impulsstrombelastung zur Folge, dass es zu einer lokalen Erwärmung aufgrund Widerstandserhöhung kommt. Dies wiederum ergibt eine Materialschwächung mit der Folge veränderter Duktilität des Materials und einem hierdurch nicht mehr reproduzierbarem Abreißverhalten.
-
Bei der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung gemäß 3 wird wiederum von einem ersten Verbindungselement 1 in Drahtform und einem zweiten Verbindungselement 2 in Bandform ausgegangen. Beide Verbindungselemente 1; 2 bestehen aus einem Kupfermaterial.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel liegt der Durchmesser des Drahtes, das heißt des ersten Verbindungselementes 1, bei 2 mm und die Dicke des Kupferbandes, das heißt des zweiten Verbindungselementes 2, bei etwa 0,3 mm. Die eigentliche Kontakt- und Verbindungsstelle 6 wird durch Reibschweißen ausgeführt bzw. erhalten. Diesbezüglich wird mit einem geeigneten Werkzeug mit Einspannen des zweiten Verbindungselementes 2 und gesicherter Zuführung des ersten Verbindungselementes 1 dieses senkrecht mit einer Stirnfläche unter Überstand positioniert.
-
Der Überstand beträgt beispielsweise 0,1 mm um eine Anpassung des plastifizierten Materials an die vorgesehene Verrundungsfase zu gewährleisten und die Kerbwirkung in der Fügezone zu reduzieren. Die Einspannung des bandförmigen Verbindungselementes 2 erfolgt möglichst nahe am entsprechenden Werkzeug um eine unerwünschte Verformung zu minimieren. Als ein Reibschweißfügewerkzeug kann in einfacher Weise ein Werkzeug in kugelähnlicher Weise eingesetzt werden, welches entgegen der Schnittrichtung eine Rotationsbewegung ausführt. Die Drehzahl erreicht hierbei von 2000 bis 3000 U/min und kann bis in den Bereich von 5000 U/min gehen. Ein beispielhafter Eintauchvorschub liegt im Bereich von 10 bis 200 mm je Minute mit einer Eintauchtiefe von 0,1 bis 0,5 mm je nach Werkzeugausführung. Die Prozesskraft liegt ebenfalls je nach Werkzeugausführung im Bereich zwischen 150 und 2000 Newton.
-
Die fotorealistische Abbildung nach 4 zeigt eine Ansicht vergleichbar mit der zeichnerischen Darstellung nach 3 als Blick auf die Verbindungsstelle zwischen dem steifen, drahtförmigen ersten Verbindungselement und dem bandförmigen, dünnen, zweiten Verbindungselement. Gleichzeitig ist die bevorzugte Geometrie im Bereich der Kontakt- und Verbindungsstelle 6 erkennbar. Diesbezüglich liegt eine konisch zugespitzte Gestalt des zweiten Verbindungselementes vor, wobei ergänzend ein Rundungsradius vorgesehen ist. Der Winkel zwischen den sich ergebenden quasi Dreiecksschenkeln gemäß 4, 5 und 7 liegt bei ca. 60°.
-
Die Ansicht der Verbindungsstelle von unten gemäß 5 lässt die Position des Eintrittes des Werkzeuges erkennen. Diese Senkung ist auch im Mikroschliff der Verbindungsstelle gemäß 6 ersichtlich.
-
Der Bereich dieser Verbindungsstelle stellt die mechanische Abreißsicherung dar, welche über die notwendige Impulsstrom-Tragfestigkeit verfügt, wie durch umfangreiche Versuche bestätigt wurde.
-
7 zeigt eine beispielhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Abreißsicherung mit beispielhafter Bemaßung, die jedoch keinesfalls einschränkend zu verstehen ist.
-
Diesbezüglich wird beim ersten Verbindungselement 1 von einem verzinnten Kupferdraht mit einem Durchmesser von im Wesentlichen 2 mm ausgegangen. Die beispielhafte Länge des Drahtes weist 60 mm auf.
-
Der verzinnte Kupferdraht wird gemäß 7 mit einer freien Stirnseite über eine Reibschweißverbindung mit der Oberfläche eines Kupferbandes als dem zweiten Verbindungselement 2 verbunden.
-
Die Dicke des Kupferbandes beträgt beispielsweise 0,3 mm.
-
Die Breite des Kupferbandes als dem zweiten Verbindungselement 2 ist gemäß Ausführungsbeispiel mit 10 mm gewählt, wobei im eigentlichen Bereich der Kontakt- und Verbindungsstelle 6 das Kupferband spitzwinkelig ausläuft und über einen Rundungsradius R2 verfügt. Der von den spitzwinkeligen Schenkeln eingeschlossene Winkel beträgt beispielsweise 60°.
-
Zum Nachweis der Leistungsfähigkeit der weiterentwickelten elektrischen Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion wurden Vergleichsversuche zwischen einer klassischen Sicherung mit 2 mm Durchmessern und gekerbter bzw. gequetschter Drahtausführung mit einer 2 mm rührreibgeschweißten Sicherung durchgeführt.
-
Dabei zeigte es sich, dass unter Beachtung des Verhältnisses der Schmelzintegrale I2t zur Anzahl der Stoßentladung bis zur Zerstörung der Sicherung die erfindungsgemäße Lösung dem Stand der Technik um den Faktor 3 bis 4 überlegen ist.
