DE112021004216T5

DE112021004216T5 - Widerstandslegierung zur Verwendung in einem Shunt-Widerstand, Verwendung einer Widerstandslegierung in einem Shunt-Widerstand und Shunt-Widerstand mit Widerstandslegierung

Info

Publication number: DE112021004216T5
Application number: DE112021004216.5T
Authority: DE
Inventors: Naoki KANAUCHI; Yoshitaka Kumeda; Tadahiko Yoshioka
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2023-06-01
Also published as: CN116075906A; WO2022030071A1; JP7430121B2; JP2022030348A; US20230287540A1

Abstract

Es wird eine Widerstandslegierung bereitgestellt, die eine Verringerung des TCR eines Shunt-Widerstands zur Verwendung in einer Stromerfassungsvorrichtung zum Erfassen großer Ströme ermöglicht. Eine Widerstandslegierung auf Kupfer-Mangan-Basis zur Verwendung in einem Shunt-Widerstand umfasst ferner Zinn und Nickel und weist einen TCR von weniger als oder gleich -36×10-6/K bei 100°C, bezogen auf 25°C, auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Widerstandslegierung zur Verwendung in einem Shunt-Widerstand, die Verwendung einer Widerstandslegierung in einem Shunt-Widerstand und einen Shunt-Widerstand mit einer Widerstandslegierung.
Stand der Technik
Beispiele für Widerstandslegierungen für Widerstände zur Stromerfassung und dergleichen sind Legierungen auf Kupfer-Mangan-Basis, Kupfer-Nickel-Basis, Nickel-Chrom-Basis, Eisen-Chrom-Basis und so weiter. Als allgemeine Legierungen auf Kupfer-Mangan-Basis (Legierungen auf Kupfer-Mangan-Nickel-Basis) sind solche mit einem spezifischen Widerstand von 29 µΩ·cm bis einschließlich 50 µΩ·cm kommerziell erhältlich. Für Legierungen auf Nickel-Chrom-Aluminium-Kupfer-Basis sind Legierungen mit einem spezifischen Widerstand von 120 µΩ·cm oder mehr kommerziell erhältlich (siehe beispielsweise Patentliteratur 1).
Im Allgemeinen ist der Widerstandstemperaturkoeffizient (TCR) einer Widerstandslegierung, die zur Stromerfassung verwendet wird, auf einen Zielwert von etwa 0 ppm/K bei 20-100°C ausgelegt. Mit einem solchen Widerstandsmaterial ist es möglich, eine stabile Genauigkeit der Stromerfassung zu erzielen, selbst wenn die Temperaturbedingungen geändert werden.
Literaturliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP 2007-329421 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach einem Stromerfassungswiderstand für die Erfassung großer Ströme, beispielsweise in der Größenordnung von 1000 A, gestiegen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurde der Widerstandswert von Shunt-Widerständen schrittweise reduziert, beispielsweise auf 100 µΩ, 50 µΩ, 25 µΩ und 10 µΩ.
Bei der Konstruktion eines Shunt-Widerstands (Stromerfassungswiderstand) unter Verwendung der Widerstandslegierung werden Kupferelektroden an beiden Enden eines Widerstandskörpers angeschweißt. Kupfer weist einen hohen TCR von etwa 4.000 ppm/K (25 bis 100°C) auf. Wird der Shunt-Widerstand verkleinert, erhöht sich der prozentuale Beitrag des TCR der Kupferelektroden zum Widerstandswert des Shunt-Widerstands. Folglich erhöht sich der TCR des Shunt-Widerstands und die Genauigkeit der Stromerfassung nimmt ab.
In der Patentliteratur 1 werden Techniken zur Einstellung des TCR durch die Form des Widerstands beschrieben. Die Bearbeitung der Elektroden bringt jedoch das Problem mit sich, dass sich der tatsächliche Widerstand des Widerstands erhöht. Ein weiteres Problem ist, dass es schwierig ist, die Bearbeitung oder Einstellung durchzuführen, wenn der Widerstand verkleinert ist. Wenn der Shunt-Widerstand verkleinert wird, erhöht sich außerdem der TCR des Widerstands und die Erfassungsgenauigkeit nimmt ab. Außerdem muss die Zuverlässigkeit der Stromerfassung sichergestellt werden.
Darüber hinaus können je nach Produktspezifikation die Dicke und Breite des Shunt-Widerstands festgelegt sein. Um den Widerstandswert des Widerstands zu verringern, ist es in solchen Fällen notwendig, die Länge des Widerstandskörpers zu reduzieren, um den Widerstand zu verringern. Wenn jedoch der Widerstandskörper und die Elektroden durch Elektronenstrahlschweißen oder ähnliches verschweißt werden sollen, muss die Breite der Schweißstellen berücksichtigt werden. Dementsprechend ist das Verfahren zur Verringerung der Länge des Widerstandskörpers durch die Verarbeitungsmaße begrenzt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Widerstandslegierung bereitzustellen, die es ermöglicht, den TCR eines Shunt-Widerstands zu verringern, der in einer Stromerfassungsvorrichtung zum Erfassen großer Ströme verwendet wird.
Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Widerstandslegierung auf Kupfer-Mangan-Basis zur Verwendung in einem Shunt-Widerstand bereitgestellt, wobei die Widerstandslegierung ferner Zinn und Nickel enthält und einen TCR von weniger als oder gleich -36×10^-6/K bei 100°C, bezogen auf 25°C, aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Widerstandslegierung auf Kupfer-Mangan-Basis zur Verwendung in einem Shunt-Widerstand bereit, wobei die Widerstandslegierung ferner Zinn und Nickel enthält und einen TCR von weniger als oder gleich -10×10^-6/K in einem Bereich von 0°C bis 175°C, bezogen auf 25°C, aufweist.
Die vorstehend genannte Legierung kann 9,5 bis 12,5 Masse-% Mangan, 1 bis 3 Masse-% Nickel, 2,5 bis 5 Masse-% Zinn und als Rest Kupfer enthalten. Auf diese Weise kann der TCR eines Shunt-Widerstands, der beispielsweise mit einer Kupferelektrode gebildet wird, verringert werden.
Die vorliegende Erfindung sieht auch die Verwendung der Widerstandslegierung nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Widerstandskörper eines Shunt-Widerstands zur Verwendung in einer Stromerfassungsvorrichtung vor.
Die vorliegende Erfindung sieht auch einen Shunt-Widerstand mit einem Widerstandskörper und einer Elektrode vor. Der Widerstandskörper wird aus einer Widerstandslegierung auf Kupfer-Mangan-Basis gebildet, wobei die Widerstandslegierung ferner Zinn und Nickel enthält und einen TCR von weniger als oder gleich -36×10^-6/K bei 100°C, bezogen auf 25°C, aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Shunt-Widerstand mit einem Widerstandskörper und einer Elektrode bereit. Der Widerstandskörper wird aus einer Widerstandslegierung auf Kupfer-Mangan-Basis gebildet, wobei die Widerstandslegierung ferner Zinn und Nickel enthält und einen TCR von weniger als oder gleich -10×10^-6/K in einem Bereich von 0°C bis 175°C, bezogen auf 25°C, aufweist.
Die vorliegende Beschreibung schließt den Inhalt der JP-Patentanmeldung Nr. 2020-134314 ein, auf deren Basis der Prioritätsanspruch der vorliegenden Anmeldung beruht.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den TCR eines Shunt-Widerstands zu verringern, der in einer Stromerfassungsvorrichtung zum Erfassen großer Ströme verwendet wird.
Ferner ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Zuverlässigkeit der Stromerfassung des Shunt-Widerstandes zu gewährleisten.
Figurenliste

1 ist ein Phasendiagramm einer quaternären Legierung einer Legierung für einen Widerstandskörper mit Kupfer und Mangan-Zinn-Nickel gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
2 veranschaulicht die Form einer Bewertungsprobe für eine Legierung für einen Widerstand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 veranschaulicht die Ergebnisse der Durchführung eines Langzeitstabilitätstests (Zuverlässigkeit) in Bezug auf Probe Nr. 1 und Vergleichsbeispiel 1 in den Tabellen 1 und 2.
4(a) ist eine perspektivische Ansicht eines Konfigurationsbeispiels eines Shunt-Widerstandes, in dem eine Legierung für einen Widerstand gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 4(b) zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht des Shunt-Widerstandes. In 4(b) sind die Abmessungen (mm) des Elements angegeben.
5A zeigt ein Beispiel für einen Herstellungsschritt für einen Shunt-Widerstand gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5B zeigt ein Beispiel für einen Herstellungsschritt für den Shunt-Widerstand gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in Fortsetzung von 5A.
5C zeigt ein Beispiel für einen Herstellungsschritt für den Shunt-Widerstand gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in Fortsetzung von 5B.
5D zeigt ein Beispiel für einen Herstellungsschritt für den Shunt-Widerstand gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in Fortsetzung von 5C.
5E zeigt ein Beispiel für einen Herstellungsschritt für den Shunt-Widerstand gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in Fortsetzung von 5D.
5F zeigt ein Beispiel für einen Fertigungsschritt für den Shunt-Widerstand gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in Fortsetzung von 5E.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Widerstandslegierungen zur Verwendung in Shunt-Widerständen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und Shunt-Widerstände, die diese beispielsweise verwenden, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Zunächst sollen die Überlegungen der Erfinder zur vorliegenden Erfindung erläutert werden.

1) Die Erfinder halten es für wichtig, eine Widerstandslegierung zu verwenden, die im Widerstandskörper einen negativen TCR aufweist, um den Beitrag des großen positiven TCR des in den Elektroden verwendeten Kupfers zu kompensieren. Es gibt jedoch nur wenige Berichte über Widerstandslegierungen, die einen großen negativen TCR aufweisen.
2) Es ist bekannt, dass es Kupfer-Nickel-Legierungen mit niedrigem TCR und hervorragender Langzeitstabilität gibt, doch weisen diese Legierungen im Vergleich zu Kupfer eine große thermische elektromotorische Kraft von 40 µV/K auf. Daher nimmt bei einem Shunt-Widerstand, der in einer Stromerfassungsvorrichtung mit großen Stromflüssen verwendet wird, die Erfassungsgenauigkeit aufgrund des Peltier-Effekts ab.
3) Ein Beispiel für eine Legierung, die einen negativen TCR aufweist, ist eine Legierung auf Nickel-Chrom-Basis. Die Legierung auf Nickel-Chrom-Basis weist jedoch im Vergleich zu Kupfer-Nickel-Legierungen und Kupfer-Mangan-Legierungen einen Volumenwiderstand auf, der größer als oder gleich dem Zweifachen ist. Dementsprechend ist es schwierig, einen reduzierten Widerstand des Shunt-Widerstandes zu erreichen.

Die Ausführungsformen beruhen auf der Vorstellung, dass der TCR eines Widerstands verringert werden kann, indem ein Widerstandskörper mit einem negativen TCR bereitgestellt wird. Das heißt, es ist wichtig, Widerstandskörper zu untersuchen, die einen negativen TCR aufweisen.
(Erste Ausführungsform)
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Legierung gemäß der bekannten Ausführungsform ist eine Widerstandslegierung, die einen negativen TCR aufweist, und ist eine quaternäre Legierung, die aus Kupfer-Mangan-Nickel-Zinn besteht. Die Widerstandslegierung kann als Widerstandsmaterial für den Shunt-Widerstand verwendet werden.
1 ist ein Phasendiagramm einer quaternären Legierung einer Legierung für einen Widerstandskörper, die Kupfer und Mangan-Zinn-Nickel gemäß der bekannten Ausführungsform enthält.
Darin ist der Massenanteil von Kupfer auf der Achse oben links dargestellt, und der Massenanteil von Nickel+Zinn ist auf der Achse oben rechts dargestellt. Der Massenanteil von Mangan ist auf der Achse auf der unteren Seite dargestellt.
1 zeigt einen gefüllten Bereich R, der die Widerstandslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung charakterisiert. In dem Bereich R beträgt der Massenanteil von Mangan 9,5 % bis 12,5 %. Im Bereich R beträgt der Massenanteil von Nickel+Zinn 3,5 % bis 8 %. Im Einzelnen weist Nickel einen Massenanteil von 1 % bis 3 % und Zinn einen Massenanteil von 2,5 % bis 5 % auf. Der Rest ist Kupfer.
Ein repräsentativer Wert für Mangan ist 10,5 Massenprozent. Ein repräsentativer Wert für Nickel liegt bei 2,0 Massenprozent. Ein repräsentativer Wert für Zinn liegt bei 3 Massenprozent. Der Rest ist Kupfer.
2 veranschaulicht die Form einer Bewertungsprobe für die Legierung für den Widerstand gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 2 dargestellt, umfasst die Bewertungsprobe X für die Legierung für den Widerstand Elektrodenabschnitte (durch die Strom fließt) 1, 3 an beiden Enden; einen Widerstandskörper 5, der sich zwischen den Elektrodenabschnitten 1, 3 erstreckt; und Spannungserfassungsabschnitte 7, 9, die näher an der Mitte positioniert sind als die Enden des Widerstandskörpers 5 sind. Der Abstand zwischen den Elektrodenabschnitten 1, 3 beträgt 50 mm. Der Abstand zwischen den Spannungserfassungsabschnitten 7, 9 beträgt 20 mm.
Nachfolgend wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer Bewertungsprobe kurz beschrieben.

1) Die Rohmaterialien werden gewogen.
2) Die Materialien aus 1) werden aufgelöst.
3) Mit Hilfe eines Kaltwalzwerkes wird ein Bandmaterial mit einer vorgegebenen Dicke hergestellt.
4) In einem Vakuum-Gaswechselofen wird eine Wärmebehandlung in N₂-Atmosphäre bei 500 bis 700°C für 1 bis 2 Stunden durchgeführt.
5) Aus dem Ringmaterial wird durch Pressen eine Widerstandskörperprobe mit der in gezeigten Form hergestellt.
6) Im Vakuum-Gasaustauschofen wird eine Wärmebehandlung (Niedertemperatur-Wärmebehandlung) in einer N₂-Atmosphäre bei 200 bis 400°C für 1 bis 4 Stunden durchgeführt.

Der Massenanteil der einzelnen Legierungsbestandteile im Bereich R wird so aufeinander abgestimmt, dass die Widerstandslegierung die folgenden Eigenschaften aufweist (geeignete Bedingungen).
(Geeignete Bedingungen)

1) Der spezifische Widerstand ist größer als oder gleich 41 µΩ·cm und kleiner als oder gleich 54 µΩ·cm.
2) Der TCR, bezogen auf 25°C, ist kleiner als oder gleich -36×10^-6/K bei 100°C. Ferner ist der TCR, bezogen auf 25°C, von kleiner oder gleich -25×10^-6/K bei 60°C. Ferner ist der TCR, bezogen auf 25°C, von kleiner oder gleich -10×10^-6/K in einem Bereich von 0°C bis 175°C.
3) Die Widerstandslegierung weist eine thermische elektromotorische Kraft gegenüber Kupfer von -1 µV/K bis +1 µV/K auf. Diese Eigenschaft beträgt etwa 1/40 derjenigen einer Legierung auf Cu-Ni-Basis und ist ein Wert in der gleichen Größenordnung wie der von Manganin.

(Effekte auf Basis der Widerstandslegierung unter geeigneten Bedingungen)
Die Verwendung der Widerstandslegierung, wie sie in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben ist, hat die folgenden Auswirkungen.

1) Der TCR eines Shunt-Widerstands, der Elektroden aufweist, die ein kupferhaltiges Material verwenden, kann reduziert werden.
2) Die Änderungsrate des Widerstandswerts in einem Shunt-Widerstand-Zuverlässigkeitstest (Erwärmungstemperatur 175°C, Erwärmungszeit 1000 Stunden) ist geringer als die von Manganin, was zu einer besseren Langzeitstabilität führt.
3) Die Legierung weist eine geringere Vickershärte (von weniger als oder gleich 200 HV) als eine Nickel-Chrom-Legierung und eine Eisen-Chrom-Legierung auf und ist leicht zu verarbeiten. Ist die Vickershärte größer als 200 HV, kann es beispielsweise beim Walzen zu Rissbildung kommen. Um dies zu verhindern, können Maßnahmen wie beispielsweise eine Wärmebehandlung erforderlich sein und den Prozess verkomplizieren; bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine solche Wärmebehandlung jedoch nicht erforderlich. Im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit liegt die Vickershärte vorzugsweise bei weniger als oder gleich 150 HV. Unter dem Gesichtspunkt des Pressverhaltens, der mechanischen Festigkeit und dergleichen ist es vorzuziehen, dass die Vickershärte von kleiner oder gleich 150 HV ist.

(Detaillierte Beschreibung der Proben der Widerstandslegierung)
Es wurden verschiedene Proben hergestellt, wie unten angegeben.
Die Eigenschaften der Proben sind in Tabelle 1 und Tabelle 2 dargestellt.

[Table 1]

Proben-Nr.	Komponente [Masse-%]	Wärmebehandlungstemperatur [°C]	Vickershärte [HV]	Spezifischer Widerstand [µΩ cm]	Thermische elektromotorische Kraft in Bezug auf Kupfer (100°C/0°C) [µV/K]	Verarbeitbarkeit
1	Cu-10.5Mn-2.5Ni-3Sn	600	110	43	-0.39	◯
2	Cu-12.5Mn-2.5Ni-1Sn	600	101	47	0.30	◯
3	Cu-12.5Mn-2.5Ni-3Sn	600	115	50	0.23	◯
4	Cu-12.5Mn-2.5Ni-5Sn	600	118	54	0.08	Δ
5	Cu-10.5Mn-2.5Ni	600	97	38	0.05	◯
6	Cu-11.5Mn-2.5Ni	600	99	41	0.14	◯
7	Cu-8.5Mn-2.5Ni-7.0Sn	600	-	-	-	×
8	Cu-9.5Mn-2.5Ni-5.0Sn	600	111	43	-0.51	Δ
9	Cu-10.5Mn-3.0Sn	600	116	42	1.02	Δ
10	Cu-10.5Mn-5.0Ni-3.0Sn	600	107	43	-1.22	◯
11	Cu-10Mn-2.5Ni-3.0Sn	600	130	41	-0.31	◯
12	Cu-10.5Mn-2.5Ni-2.5Sn	600	120	41	0.01	◯
13	Cu-10.5Mn-3Ni-3Sn	600	123	43	-0.49	◯
14	Cu-10.5Mn-2.0Ni-3.0Sn	600	113	43	0.02	◯
Vergleichsbeispiel 1	Cu-12.5Mn-2.5Ni	600	101	44	0.39	◯
Vergleichsbeispiel 2	Cu-45Ni	600	95	49	-39	◯

Beispiele mit „

" sind außerhalb der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (ausgeschlossene Proben). Vergleichsbeispiele 1 und 2 sind verschiedene handelsübliche Materialen.

In Tabelle 1 sind die Zusammensetzung/Bestandteile (Masse-%), die Wärmebehandlungstemperatur, die Vickers-Härte, der spezifische Widerstand, die thermisch-elektromotorische Kraft in Bezug auf Kupfer und das Ergebnis der Bestimmung der Verarbeitbarkeit („O" bedeutet, dass sie geeignet ist) der Legierungswerkstoffe der Probennummern 1 bis 14 angegeben. Beachten Sie, dass die Zusammensetzung unvermeidbare Verunreinigungen enthalten kann. Die Proben mit „
" sind diejenigen, die nicht in der Zusammensetzung der vorliegenden Ausführungsform enthalten sind (ausgeschlossene Proben). Darüber hinaus werden als Vergleichsbeispiele 1, 2 Beispiele gezeigt, die kommerziell erhältlich sind und in denen Basismaterialien mit anderen Zusammensetzungen als den vorliegenden Beispielen verwendet werden.
Die Wärmebehandlungsbedingungen bei der Herstellung der verschiedenen in Tabelle 1 dargestellten Proben betragen 600°C für 1 Stunde. Durch die Durchführung der Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 600°C oder höher und für etwa 1 Stunde kann die Legierung gemäß der vorliegenden Ausführungsform rekristallisiert werden. Alternativ kann die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 700°C für einige Minuten durchgeführt werden, um eine Rekristallisation zu erreichen. Durch die Rekristallisation der verschiedenen Proben ist es möglich, eine gute Härte zu erhalten und den Zielwert der TCR-Eigenschaften der vorliegenden Anwendung zu erreichen, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf Tabelle 2 beschrieben wird. Darüber hinaus kann eine Widerstandslegierung erhalten werden, die eine ausgezeichnete Langzeitstabilität aufweist.
In Fällen, in denen die Wärmebehandlungstemperatur weniger als etwa 600 °C beträgt, beispielsweise bei einer Wärmebehandlungstemperatur von etwa 400 °C, wird die Vickershärte größer als 150 HV. Vorzugsweise ist die Vickershärte weniger als oder gleich 150 HV. Alle in der vorliegenden Ausführungsform angegebenen Legierungsmaterialien (Proben) erfüllen die entsprechende Bedingung für eine Vickershärte von weniger als oder gleich 150 HV.
Was den spezifischen Widerstand des Widerstandsmaterials betrifft, so werden für alle Proben Werte erzielt, die mit denen der Vergleichsbeispiele 1, 2 vergleichbar sind, bei denen es sich um handelsübliche Materialien handelt. Was die thermische elektromotorische Kraft in Bezug auf Kupfer betrifft, so liegen die Werte im Bereich von -1 µV/K bis +1 µV/K und erfüllen die entsprechende Bedingung. Die Proben Nr. 9 und Nr. 10 liegen außerhalb dieses Bereichs (ausgeschlossene Proben). Die anderen Proben erfüllen diese Bedingung.
Die Bewertung der Verarbeitbarkeit bezieht sich auf eine Bewertung in einem Fall, in dem insbesondere das Walzen durchgeführt wird. Das „◯" kennzeichnet Beispiele, bei denen eine gute Verarbeitbarkeit gegeben war; „Δ“ kennzeichnet Proben, bei denen leichte Risse sichtbar waren, die aber verarbeitbar waren; „×“ kennzeichnet Schwierigkeiten beim Walzen. Bei der Probe Nr. 7 wurde keine praktikable Verarbeitbarkeit erreicht. Bei den anderen Proben wurde eine praktikable Verarbeitbarkeit erreicht, wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß.

[Table 2]

Proben-Nr.	TCR (25°C - 0°C) [×10^-6/K]	TCR (25°C - 40°C) [×10^-6/K]	TCR (25°C - 60°C) [×10^-6/K]	TCR (25°C - 100°C) [×10^-6/K]	TCR (25°C - 175°C) [×10^-6/K]
1	-16	-32	-37	-44	-52
2	6	-16	-25	-39	-55
3	-19	-32	-40	-49	-63
4	-30	-44	-50	-61	-71
5	33	12	5	-6	-19
6	30	9	-1	-14	-30
7	-	-	-	-	-
8	-16	-26	-29	-36	-42
9	-15	-30	-37	-46	-56
10	39	22	19	6	-16
11	-14	-26	-31	-39	-46
12	-12	-25	-31	-39	-48
13	-10	-26	-31	-38	-49
14	-18	-34	-39	-46	-55
Vergleichsbeispiel 1	30	8	-1	-18	-37
Vergleichsbeispiel 2	-13	-15	-17	-18	-19

Beispiele mit "

" sind außerhalb der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (ausgeschl. Proben).

Tabelle 2 zeigt die TCR-Werte der verschiedenen in Tabelle 1 aufgeführten Proben (Widerstandslegierungen). Bei einer Referenztemperatur von 25 °C wurde der TCR-Wert unter jeder der in Tabelle 2 aufgeführten Messtemperaturbedingungen bestimmt. Die Probennummern in Tabelle 2 entsprechen den Probennummern in Tabelle 1.
Aus den in Tabelle 2 dargestellten Daten lässt sich Folgendes ableiten.
1) Abhängigkeit vom Sn-Gehalt
Die Proben Nr. 5 und Nr. 6 enthalten kein Sn. Im Falle von Legierungen, die kein Sn enthalten, ist der TCR tendenziell positiv.
Enthält die Legierung hingegen Sn in einem bestimmten Bereich, wie bei den Proben Nr. 1, Nr. 3 und Nr. 4, kann der TCR zur negativen Seite hin verschoben werden. Um also einen negativen TCR zu erhalten, ist es sinnvoll, Sn hinzuzufügen. Die Probe Nr. 2 weist einen geringeren Sn-Gehalt (1,0 Masse-%) auf als die anderen Proben, die Sn enthalten. Probe Nr. 7 enthält mehr Sn (7,0 Masse-%) als die anderen Sn-haltigen Proben. Bei der Probe Nr. 7 verringert sich die Verarbeitbarkeit, wie in Tabelle 1 gezeigt, und der TCR konnte nicht gemessen werden.
2) Abhängigkeit vom Ni-Gehalt
Während Probe Nr. 10 Sn im vorgegebenen Bereich enthält und die Verarbeitbarkeit, beispielsweise beim Walzen, durch einen hohen Ni-Gehalt verbessert wird, ist der TCR positiv. Probe Nr. 9 enthält kein Ni, weist eine leicht erhöhte thermisch-elektromotorische Kraft in Bezug auf Kupfer auf und hat eine leicht reduzierte Verarbeitbarkeit. Die Probe Nr. 4 weist ebenfalls eine leicht verschlechterte Verarbeitbarkeit auf.
Die Probe Nr. 9 weist im Vergleich zu den anderen Ni enthaltenden Proben eine große thermisch-elektromotorische Kraft in Bezug auf Kupfer auf. Daraus ist ersichtlich, dass Ni einen Effekt aufweist, der die thermische elektromotorische Kraft in Bezug auf Kupfer reduziert.
In Anbetracht der vorstehenden Ergebnisse weisen die Probe Nr. 2 (die weniger Sn als der vorgegebene Wert aufweist), Nr. 5 und Nr. 6 (die kein Sn enthalten) und Nr. 10 (die mehr Ni als den vorgegebenen Wert aufweist) einen positiven TCR auf und werden daher von den Proben ausgeschlossen, die das Erreichen des Zwecks der vorliegenden Erfindung ermöglichen. Die Probe Nr. 7 (die mehr Sn als den vorgegebenen Wert aufweist) ist schlecht verarbeitbar und wird von den Proben ausgeschlossen, mit denen der Zweck der vorliegenden Erfindung erfüllt werden kann. Die Probe Nr. 9 weist eine größere thermische elektromotorische Kraft gegenüber Kupfer auf als der vorgegebene Wert und wird daher ausgeschlossen.
Die vorstehenden Ergebnisse zusammengenommen, können die Proben Nr. 1, Nr. 3, Nr. 11, Nr. 12, Nr. 13 und Nr. 14 als die bevorzugten Legierungswiderstandsmaterialien angeführt werden.
(Zusammenfassung der Legierungseigenschaften)
Fasst man die vorstehenden Ergebnisse zusammen, so beträgt bei der Legierung, die das Widerstandsmaterial des Shunt-Widerstandes der vorliegenden Ausführungsform ist, wie im Bereich R von 1 gezeigt, der Massenanteil von Mangan 9,5 % bis 12,5 % und der Massenanteil von Nickel+Zinn im Bereich R 3,5 % bis 8 %. Genauer gesagt weist Nickel einen Massenanteil von 1 % bis 3 % auf, Zinn hat einen Massenanteil von 2,5 % bis 5 %, und der Rest ist Kupfer.
(Ergebnisse des Zuverlässigkeitstests)
3 zeigt die Ergebnisse eines Langzeit-Zuverlässigkeitstests, der in Bezug auf die Probe Nr. 1 und das Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt wurde. In dem Langzeit-Zuverlässigkeitstest wurde eine Widerstandswertänderung ΔR (%) unter Bedingungen von 175°C für 1000 Stunden gemessen. Wie in dargestellt, betrug die Widerstandswertänderung nach Ablauf von 1000 Stunden bei Probe Nr. 1 etwa -0,3 %, während sie bei Vergleichsbeispiel 1 (handelsübliches Material) etwa -0,7 % betrug. Dies deutet darauf hin, dass das Widerstandsmaterial (beispielsweise Probe Nr. 1) unter Verwendung des Legierungsmaterials gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine ausgezeichnete Langzeitzuverlässigkeit aufweist.
Wie vorstehend beschrieben, ist es durch Verwendung der Legierung für einen Widerstandskörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine Widerstandslegierung bereitzustellen, die einen spezifischen Widerstand von etwa 41 bis 55 µΩ·cm erreicht und eine verbesserte Verarbeitbarkeit im Vergleich zu Nickel-Chrom-Legierungen und Eisen-Chrom-basierten Legierungen aufweist.
Wenn ein Shunt-Widerstand unter Verwendung eines Widerstandsmaterials mit einem relativ niedrigen spezifischen Widerstand konstruiert wird, kann die Herstellung eines Shunt-Widerstands auf der Hochwiderstandsseite konstruktive Einschränkungen aufweisen, die beispielsweise eine Verdünnung des Widerstandskörpers oder eine Verlängerung des Widerstandskörpers erfordern. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann jedoch durch die Verwendung des Widerstandskörpers, der einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweist, die Gestaltungsfreiheit des Shunt-Widerstandes gewährleistet werden.
Durch die Verwendung der Widerstandslegierung, die einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweist, ist es weiterhin möglich, den Beitrag des TCR von Cu, das in den Elektroden verwendet wird, im Verhältnis zum Gesamtwiderstand zu reduzieren. So kann ein Shunt-Widerstand bereitgestellt werden, der die Eigenschaften der Widerstandslegierung nutzt. Weiterhin ist festzustellen, dass die Legierung für einen Widerstandskörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine ausgezeichnete Langzeitzuverlässigkeit aufweist.
(Zweite Ausführungsform)
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben. 4(a) ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Shunt-Widerstandes unter Verwendung der Legierung für den Widerstand gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4(b) zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht des Shunt-Widerstandes. In sind die Abmessungen (mm) angegeben.
Der in 4(a), (b) dargestellte Shunt-Widerstand A weist eine Struktur auf, die durch Herstellen eines einzigen einteiligen Stücks eines Widerstandskörpers 11 durch Pressen und dergleichen und anschließendes Stumpfschweißen von Cu-Elektroden 15a, 15b an dessen Enden erhalten wird.
Der Widerstandskörper 11 und die Elektroden 15a, 15b können durch Elektronenstrahlschweißen (EB), Laserstrahlschweißen (LB) und dergleichen verbunden werden. Der in 4 dargestellte Shunt-Widerstand A ist ein relativ großer Shunt-Widerstand, der einzeln hergestellt werden kann. Das Material des Widerstandskörpers kann das in der ersten Ausführungsform beschriebene sein, einschließlich 9,5 bis 12,5 Masse-% Mangan, 1 bis 3 Masse-% Nickel, 2,5 bis 5 Masse-% Zinn, und der Rest ist Kupfer. Andere in der ersten Ausführungsform beschriebene Legierungen können je nach Zweck verwendet werden.
Bei dem Shunt-Widerstand gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Gestaltungsfreiheit des Shunt-Widerstandes durch die Verwendung eines Widerstandskörpers gewährleistet werden, der einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweist.
Weiterhin kann durch die Verwendung der Widerstandslegierung, die einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweist, der Beitrag des TCR von Cu, das in den Elektroden verwendet wird, im Verhältnis zum gesamten Widerstand reduziert werden. Dementsprechend kann ein Shunt-Widerstand bereitgestellt werden, der die Eigenschaften der Widerstandslegierung nutzt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Temperaturkoeffizient des Widerstandsmaterials so eingestellt, dass er sich auf der negativen Seite befindet. Dadurch kann der Temperaturkoeffizient des Widerstands, mit dem die Kupferelektroden verbunden sind, verringert werden.
Für den Shunt-Widerstand A, der wie in dargestellt aufgebaut und dimensioniert ist, wurde der TCR gemessen. Für den Shunt-Widerstand, bei dem Vergleichsbeispiel 1 als Widerstandsmaterial verwendet wurde, betrug der TCR 76 ppm/K. Bei dem Shunt-Widerstand, für den die Probe Nr. 1 verwendet wurde, betrug der TCR dagegen 50 ppm/K. Es ist also zu erkennen, dass der TCR gegen Null verbessert wird, wenn die Widerstandslegierung der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird.
(Dritte Ausführungsform)
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein Herstellungsbeispiel, bei dem ein langgestrecktes, verbundenes Material, das einen Widerstandskörper und miteinander verbundene Elektroden umfasst, vorbereitet und anschließend gestanzt und geschnitten wird. Auf diese Weise ist es möglich, relativ kleine Shunt-Widerstände in Serie zu produzieren.
Im Folgenden wird ein Beispiel für ein solches Herstellungsverfahren beschrieben. In 5A bis 5F ist ein Beispiel für das Herstellungsverfahren des Shunt-Widerstands gemäß der vorliegenden Ausführungsform dargestellt.
Wie in 5A dargestellt, werden beispielsweise ein langgestrecktes Widerstandsmaterial 21 mit einer flachen, plattenartigen Form sowie ein erstes Elektrodenmaterial 25a und ein zweites Elektrodenmaterial 25b mit einer langgestreckten, flachen, plattenartigen Form ähnlich dem Widerstandsmaterial 21 hergestellt. Für das Widerstandsmaterial 21 wird das in der ersten oder zweiten Ausführungsform beschriebene Legierungsmaterial verwendet.
Wie in 5B dargestellt, sind das erste Elektrodenmaterial 25a und das zweite Elektrodenmaterial 25b auf beiden Seiten des Widerstandsmaterials 21 angeordnet.
Wie in 5C dargestellt, wird das Schweißen mit Hilfe eines Elektronenstrahls, eines Laserstrahls oder ähnlichem durchgeführt, um ein einziges Stück einer flachen Platte (verbunden an L11 und L12) zu erhalten. Insbesondere bestrahlt der Elektronenstrahl oder dergleichen die in 5C(a) oder 5C(b) dargestellten Stellen. 5C(a) ist ein Beispiel, in dem der Elektronenstrahl oder ähnliches eine flache Oberflächenseite der Elektrodenmaterialien 25a, 25b und des Widerstandskörpers 21 bestrahlt. 5C(b) ist ein Beispiel, bei dem der Elektronenstrahl oder ähnliches das Innere einer durch die Elektrodenmaterialien 25a, 25b und den Widerstandskörper 21 gebildeten Ausnehmung bestrahlt. Die Oberflächen der Elektrodenmaterialien 25a, 25b, die über den Widerstandskörper 21 hinausragen, werden daran gehindert, mit dem Elektronenstrahl oder dergleichen bestrahlt zu werden, so dass sie weniger beeinträchtigt werden.
Der Widerstandswert kann durch den Unterschied in der Dicke des Widerstandsmaterials 21 und der Elektrodenmaterialien 25a, 25b eingestellt werden. Weiterhin kann eine Stufe (Δh2) gebildet werden, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 5F beschrieben wird. Es ist auch möglich, verschiedene Anpassungen hinsichtlich des Widerstandswerts und der Form über die Verbindungsposition vorzunehmen.
Als nächstes wird, wie in 5D(a) dargestellt, aus dem Zustand von 5B die flache Platte, die den Bereich des Widerstandskörpers 21 einschließt, in einer Kammform ausgestanzt, wie mit dem Zeichen 17 angegeben. Dann werden das erste Elektrodenmaterial 25a und das zweite Elektrodenmaterial 25b teilweise durch Pressen oder ähnliches gebogen, wodurch eine Struktur mit der in der Querschnittsansicht von 5D(b) dargestellten Querschnittsform entsteht. Die Zeichen 21a, 21b zeigen geschweißte Abschnitte an, in denen Verbindungen durch Elektronenstrahlbestrahlung oder dergleichen hergestellt werden.
Dann wird, wie in 5E dargestellt, eine andere Endseite (35b), an der die Elektrode nicht abgeschnitten ist, von einem verbleibenden Bereich (Basisabschnitt) 25b' entlang L31 abgeschnitten. Es kann ein Widerstand mit stumpfer Struktur zur Verwendung in der Stromerfassungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform gebildet werden. Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der aus Elektroden 35a, 35b und einem Widerstandskörper 31 zusammengesetzte Widerstand in Massenproduktion hergestellt werden kann.
Es ist zu beachten, dass der Widerstand, wie in 5F dargestellt, darauf ausgebildete Schweißmarken 43a, 43b aufweist. Im Allgemeinen ist die Oberfläche der Schweißmarkierungen durch einen Elektronenstrahl oder dergleichen in einem groben Zustand. Während es für eine präzise Stromerfassung vorteilhaft ist, die Bonddrähte so nahe wie möglich am Widerstandskörper anzubringen, können die Schweißmarken im Weg sein. Beim vorliegenden Beispiel kann die Bildung solcher Schweißnähte in den Bereichen 35a-2, 35b-2, die Bondflächen bilden, durch das unter Bezugnahme auf 5C beschriebene Verfahren vermieden werden. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Drähte nahe am Widerstandskörper befestigt werden können.
Im Shunt-Widerstand gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann aufgrund der Verwendung des Widerstandskörpers, der einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweist, die Freiheit der Gestaltung des Shunt-Widerstands gewährleistet werden.
Weiterhin kann durch die Verwendung der Widerstandslegierung mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand der Beitrag des TCR von Cu, das in den Elektroden verwendet wird, in Bezug auf den gesamten Widerstand reduziert werden. Dementsprechend kann ein Shunt-Widerstand bereitgestellt werden, der die Eigenschaften der Widerstandslegierung nutzt.
Weiterhin ist das Shunt-Widerstandsmaterial gemäß der vorliegenden Ausführungsform gut verarbeitbar, beispielsweise beim Walzen zur Herstellung des Widerstandsmaterials oder beim Pressen zur Herstellung des Widerstands.
Unter Beibehaltung der vorstehenden Merkmale kann ein negativer TCR-Wert erzielt und der TCR-Wert des Widerstands einschließlich der Kupferelektroden reduziert werden.
(Zusammenfassung)
Die vorliegende Erfindung ist wie folgt zusammenfassend dargestellt.

1) Es kann eine Widerstandslegierung verwendet werden, die eine Manganzusammensetzung von 9,5 bis 12,5 Masse-% (repräsentativer Wert: 10,5 Masse-%), 1 bis 3 Masse-% (repräsentativer Wert: 2,5 Masse-%) Nickel, 2,5 bis 5 Masse-% (repräsentativer Wert: 3%) Zinn und als Rest Kupfer aufweist.
2) Vorzugsweise ist der TCR von weniger als oder gleich -25×10^-6 bei 60°C, bezogen auf 25°C. Dadurch, dass der TCR als grundlegende Spezifikation des Widerstandsmaterials negativ ist, können gute Widerstandseigenschaften erzielt werden. In diesem Fall ist der TCR des Widerstandskörpers vorzugsweise größer als oder gleich -52×10^-6/K.
3) Vorzugsweise ist der TCR ein Wert von weniger als oder gleich -10×10^-6/K in einem Bereich von 0°C bis 175°C, bezogen auf 25°C. Auf diese Weise kann ein negativer TCR in den Temperaturbereichen aller Regionen, die hauptsächlich verwendet werden, erzielt werden. Dementsprechend kann eine Verbesserung der TCR-Eigenschaften in allen im Shunt-Widerstand verwendeten Temperaturbereichen erreicht werden.

In diesem Fall ist der TCR vorzugsweise größer als oder gleich -75×10^-6/K. 4) Der TCR ist von kleiner oder gleich -36×10^-6/K bei 100°C in Bezug auf 25°C. In diesem Fall ist der TCR vorzugsweise größer als oder gleich -65×10^-6/K.
In den vorstehenden Ausführungsformen sind die dargestellten Konfigurationen und dergleichen nicht einschränkend und können gegebenenfalls innerhalb eines Bereichs, in dem die Wirkungen der vorliegenden Erfindung erzielt werden können, modifiziert werden. Es können auch andere Modifikationen vorgenommen und implementiert werden, ohne den Rahmen des Zwecks der vorliegenden Erfindung zu sprengen.
Die Bestandteile der vorliegenden Erfindung können optional selektiv hinzugefügt oder weggelassen werden, und eine Erfindung, die eine optional selektiv hinzugefügte oder weggelassene Konfiguration aufweist, ist ebenfalls in der vorliegenden Erfindung enthalten.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann als Legierung für eine Widerstandslegierung verwendet werden.
Bezugszeichenliste

X: Auswerteprobe für Widerstandslegierung
R: Angewandter Bereich
1, 3: Elektrodenabschnitte an beiden Enden (stromdurchflossen)
5: Widerstandskörper
7, 9: Spannungserfassungsabschnitte
A: Shunt-Widerstand
11: Einzelnes, einteiliges Stück des Widerstandskörpers
15a, 15b: Elektroden
21: Widerstandsmaterial, das beispielsweise eine langgestreckte, flache, plattenartige Form aufweist
25a: Erstes Elektrodenmaterial, das eine langgestreckte, flache, plattenförmige Form aufweist
25b: Zweites Elektrodenmaterial, das eine langgestreckte, flache, plattenförmige Form aufweist
35b: Andere Endseite, an der die Elektrode nicht abgeschnitten ist
43a, 43b: Schweißnahtzeichen

Alle Veröffentlichungen, Patente und Patentanmeldungen, die in der vorliegenden Beschreibung zitiert werden, sind durch Bezugnahme in vollem Umfang in die vorliegende Beschreibung einbezogen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007329421 A [0004]
JP 2020134314 [0016]

Claims

Widerstandslegierung auf Kupfer-Mangan-Basis zur Verwendung in einem Shunt-Widerstand, die ferner Zinn und Nickel enthält, wobei die Widerstandslegierung einen TCR von weniger als oder gleich - 36×10^-6/K bei 100°C, bezogen auf 25°C, aufweist.
Widerstandslegierung auf Kupfer-Mangan-Basis zur Verwendung in einem Shunt-Widerstand, die ferner Zinn und Nickel enthält, wobei die Widerstandslegierung einen TCR von weniger als oder gleich - 10×10^-6/K in einem Bereich von 0°C bis 175°C, bezogen auf 25°C, aufweist.
Widerstandslegierung nach Anspruch 1 oder 2, die 9,5 bis 12,5 Masse-% Mangan, 1 bis 3 Masse-% Nickel, 2,5 bis 5 Masse-% Zinn und als Rest Kupfer umfasst.
Verwendung der Widerstandslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einem Widerstandskörper eines Shunt-Widerstands zur Verwendung in einer Stromerfassungsvorrichtung.
Shunt-Widerstand mit einem Widerstandskörper und einer Elektrode, wobei der Widerstandskörper aus einer Widerstandslegierung auf Kupfer-Mangan-Basis gebildet ist, wobei die Widerstandslegierung ferner Zinn und Nickel enthält und einen TCR von weniger als oder gleich -36 × 10^-6/K bei 100°C, bezogen auf 25°C, aufweist.
Shunt-Widerstand mit einem Widerstandskörper und einer Elektrode, wobei der Widerstandskörper aus einer Widerstandslegierung auf Kupfer-Mangan-Basis gebildet ist, wobei die Widerstandslegierung ferner Zinn und Nickel umfasst und einen TCR von weniger als oder gleich -10×10^-6/K in einem Bereich von 0°C bis 175°C, bezogen auf 25°C, aufweist.