DE19731885A1 - Verfahren zum elektrischen Verbinden eines lackisolierten leitenden Drahtes mit einem elektrischen Leiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines lackisolierten, elektrisch leitenden Drahtes, insbesonde­ re eines Endes eines Kupfer-Drahtes einer Spulenwicklung, mit einem elektrischen Leiter. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer elektrisch leitenden Hülse für dieses Verfahren und eine entsprechend hergestellte elektrische Verbindung.

Herkömmliche Methoden zum Herstellen solcher Verbindungen beispielsweise durch Verlöten oder Verschweißen sind vielfach kompliziert und nicht auf engem Raum durchführbar. Außerdem sind sie für empfindliche dünne Drähte mangels schonender Behandlung derselben und für einen großtechnischen, automatisierten Einsatz unge­ eignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Verfahren der im Oberbegriff genannten Art so auszubilden, daß das Verbinden auf besonders einfa­ che, mechanisch schonende sowie platzsparende Weise erfolgt und zu einem elek­ trisch dauerhaften Kontakt führt. Es sollen hiermit auch sehr dünne lackisolierte Drähte auf sehr engem Raum problemfrei anschließbar sein. Das Verfahren soll auch für einen großtechnischen, automatisierten Einsatz geeignet sein.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Verfahren der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen dieses An­ spruchs aufgeführten Merkmale aus, nämlich dadurch, daß der Draht in wenigstens einer Windung um einen draht- bzw. stiftförmig ausgebildeten Leiter gewickelt wird, daß eine im Windungsbereich des Drahtes diesen und den Leiter lose umschließen­ de, elektrisch leitende Hülse aufgebracht wird daß die Wandung der Hülse dem An­ preßdruck von zwei die Hülse einspannenden und hiermit in elektrische Berührung kommenden Schweißgeräte-Elektroden ausgesetzt wird, daß während einer Erhit­ zungsphase über die Elektroden ein die Hülse durchströmender sowie resistiv er­ wärmender Erhitzungsstrom aufgebracht wird, der die Hülse unter dem Einfluß von Hitze sowie Anpreßdruck zu einem nachgebenden Verformen sowie die Lackisolie­ rung des Drahtes durch die Hitze zum Verdampfen veranlaßt und der schließlich zum Bilden einer elektrischen Verbindung zwischen den Elektroden und dem Leiter führt und daß dann während einer Schweißphase über die Elektroden bei vergrößertem Anpreßdruck derselben ein die zu verbindenden Teile sowie die Hülse verschweißen­ der größerer Schweißstrom aufgebracht wird.

Ein solches Verfahren erlaubt auf äußerst einfache Weise ein sehr schonendes, platzsparendes und elektrisch dauerhaftes Verbinden durch Verschweißen von drei Komponenten, nämlich dem Draht mit dem umwickelten Leiter einerseits und mit der umschließenden Hülse andererseits. Der Draht muß nicht zuvor in einem separaten Arbeitsschritt abisoliert werden. Die anpressenden Schweißgeräte-Elektroden kom­ men nicht mit dem gegebenenfalls sehr empfindlichen Draht in Berührung. Statt dessen wird in der Erhitzungsphase der Anpreßdruck anfänglich nur von der im Kaltzu­ stand ausreichend formstabilen Hülse aufgefangen, die erst im resistiv erhitzten, er­ weichten Zustand allmählich nachgibt und sich von außen schonend an den Draht anlegt. Die Hülse bildet somit ein äußerst schonendes Anpreßpufferkissen und einen Wärmespeicher dessen Erhitzung ein Verdampfen der Lackisolierung des Drahtes und damit eine elektrische Kontaktierung sowie ein sich daran anschließendes Ver­ schweißen der drei Komponenten ermöglicht.

Gemäß der besonders bevorzugten Weiterbildung von Anspruch 2 wird zunächst durch die Wärme der resistiv erhitzten Hülse die dieser benachbarte äußere Lackiso­ lierung des Drahtes und dann nach Herstellung eines zusätzlichen Stromflusses durch den Draht mittels der hierbei resistiv erzeugten Wärme auch die dem umwic­ kelten Leiter benachbarte innere Lackisolierung des Drahtes verdampft. Während dieser Vorgänge führt der Anpreßdruck zu einem schonenden, allmählich zunehmen­ den mechanischen Verdichten der schließlich nach elektrischer Kontaktierung bei größerem Schweißstrom und erhöhtem Anpreßdruck zu verschweißenden drei Kom­ ponenten.

Die weiteren Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 3 bis 5 haben sich in der Pra­ xis als besonders günstig erwiesen. Zum einen ist das Material des Leiters gut für den Schweißvorgang geeignet, und zum anderen wird der Draht durch den runden Querschnitt des Leiters geschont, da einschneidende Kanten fehlen.

Gemäß den Ansprüchen 6 und 7 sind für die Praxis mehrere Windungen und eine diese überdeckende Hülse bevorzugt. Hierdurch wird die Sicherheit erhöht, daß eine mechanisch und elektrisch ausreichende dauerhafte Verbindung hergestellt wird.

Die Weiterbildung von Anspruch 8 hat gegenüber einer im Inneren weiteren Hülse den Vorteil, daß sich diese nur weniger stark verformen muß und somit im gesamten Umfangsbereich enger anliegt. Sie muß jedoch so weit sein, daß sie im Windungsbe­ reich leicht verschiebbar ist.

Die Ausgestaltungen der Ansprüche 9 und 10 erlauben nach dem Erhitzen und Ver­ formen der Hülse auch ein gefahrloses resistives Erhitzen des Drahtes.

Die weitere Maßnahme von Anspruch 11, nämlich eine völlige Formstabilität der kal­ ten Hülse gegenüber dem Anpreßdruck, hat den Vorteil, daß der Draht auch bei einer anfänglich vergleichsweise eng umschließenden Hülse mechanisch unbelastet bleibt und erst mit einer zumindest teilweise erweichten Hülse in Berührung kommt.

Gemäß den Ansprüchen 12 bis 14 können die Größe und der zeitliche Verlauf des Erhitzungsstroms geeignet gewählt und den jeweiligen Betriebsbedingungen ange­ paßt werden. Entsprechendes gilt gemäß Anspruch 15 auch für den Anpreßdruck.

Eine wegbegrenzende Betriebsweise gemäß Anspruch 16 berücksichtigt selbsttätig Schwankungen von Betriebsparametern und ist besonders für einen automatisierten Verfahrensablauf geeignet.

Die Ansprüche 17 und 18 beinhalten weitere für die Praxis besonders geeignete Aus­ gestaltungen, während die Ansprüche 19 und 20 grundsätzlich mögliche Alternativen aufzeigen.

Ein Einsatz des Verfahrens gemäß Anspruch 21 ist ausgesprochen zweckmäßig, da hierbei auf äußerst engem Raum in großen Stückzahlen sehr zuverlässige elektrische Verbindungen automatisiert hergestellt werden müssen.

Die Erfindung sieht ferner gemäß Anspruch 22 die Verwendung einer elektrisch lei­ tenden Hülse zum elektrischen Verbinden eines lackisolierten, elektrisch leitenden Drahtes und eines draht- bzw. stiftförmig ausgebildeten elektrischen Leiters entspre­ chend dem beanspruchten Verfahren vor. Demgegenüber beinhalten die Ansprüche 23 und 24 eine entsprechend hergestellte elektrische Verbindung mit drei Kompo­ nenten.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip der vorliegenden Erfindung in einer beispielhaften Schemadarstel­ lung,

Fig. 2 einen beispielhaften zeitlichen Stromverlauf und

Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel einer Magnetspule für ein Magnetventil.

Gemäß Fig. 1 ist das Ende eines lackisolierten Kupfer-Drahtes 10, wie das Ende einer Spulenwicklung, in einem Windungsbereich 12 mehrfach um einen stiftförmig ausge­ bildeten elektrischen Leiter 14 aus Kupfer oder Phosphorbronze gewickelt. Eine Hülse 16 aus Kupfer (oder auch aus Messing oder Bronze) erstreckt sich im Kaltzustand ge­ rade lose, also mit geringem Spiel, um den Windungsbereich 12 des Drahtes 10.

Die Wandung der Hülse 16 ist zwischen zwei in Pfeilrichtung zueinander bewegbaren Elektroden 18 eines Schweißgerätes unter einem Anpreßdruck einspannbar. Die Elek­ troden 18, die somit nicht mit dem gegebenenfalls sehr empfindlichen Draht 10 in Be­ rührung kommen, sind mit einem Stromgenerator 28 des Schweißgerätes verbunden.

Wenn die Elektroden 18 in anpressender Klemmverbindung mit der Hülse 16 stehen, die ihrerseits im Kaltzustand bezüglich des Elektroden-Anpreßdrucks formstabil ist, kann zwischen den Elektroden ein Erhitzungsstrom durch die Hülse fließen und diese resistiv erwärmen. Nach ausreichender Erhitzung der auch als Wärmespeicher fungie­ renden Hülse und nach entsprechender Erweichung derselben kann sich diese unter dem Anpreßdruck der Elektroden 18 bis zu einem Kontakt mit dem Draht 10 verfor­ men. Der Hitzeeinfluß der Hülse 16 führt zunächst zu einem Verdampfen der äußeren Lackisolierung zwischen der Hülse und dem Draht 10. Durch den fortdauernden ver­ formenden Anpreßdruck der Elektroden 18 gelangt die Hülse 16 in einen direkten elektrischen Kontakt zum Draht 10, so daß ein Teil des Erhitzungsstroms auch den Draht durchfließen und ebenfalls resistiv erwärmen kann. Durch die Hitze des Drahtes 10 wird dann auch die innere Lackisolierung zwischen dem Draht 10 und dem Leiter 14 verdampft. Durch den fortdauernden verformenden Anpreßdruck der Elektroden 18 gelangt dann auch der Draht 10 in einen direkten elektrischen Kontakt zum Leiter 14. Nunmehr besteht eine unmittelbare elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 18 über die Hülse 16, den Draht 10 und den Leiter 14. In diesem Zustand können die­ se drei Komponenten durch Vergrößern des Stroms vom kleineren Erhitzungsstrom auf einen größeren Schweißstrom und durch Vergrößern des Anpreßdrucks miteinander dauerhaft verschweißt werden.

Der über die Elektroden 18 aufgebrachte Strom kann beispielsweise einen zeitlichen Verlauf gemäß Fig. 2 haben. Bei diesem Beispiel steigt er von Null beginnend linear bis zum Zeitpunkt t₁ auf einen Wert I₁, um dann bis zum Zeitpunkt t₂ konstant zu bleiben. Der Zeitbereich bis t₂ ist der Erhitzungsbereich zum Aufwärmen der Hülse 16 sowie des Drah­ tes 10 und zum Verdampfen der äußeren sowie inneren Lackisolierungen des Drahtes 10 durch den Erhitzungsstrom, also der Bereich bis zur Herstellung der direkten elektrischen Elektroden-Verbindung über die drei Komponenten. Zum Zeitpunkt t₂ steigt der Strom I auf den deutlich größeren Schweißstrom I₂ an, wobei gleichzeitig in nicht dargestellter Weise der Anpreßdruck erhöht wird. Etwa zum Zeitpunkt t₃ sind die drei Komponenten miteinan­ der verschweißt, und der Verbindungs- bzw. Schweißvorgang kann beendet werden. Statt zu einem festen Zeitpunkt t₃ kann insbesondere für einen automatisierten Verfahrensablauf eine wegbegrenzte Abschaltung des Stromgenerators 28 und des Anpreßdrucks erfolgen.

In Fig. 3 ist eine beispielhafte Verwendung des Verfahrens für das Anschließen der Drahtenden einer Magnetspule eines Magnetventils (einer Einspritzanlage einer Ver­ brennungskraftmaschine) dargestellt. Demnach ist ein isolierender ringförmiger Spu­ lenkörper 20, beispielsweise aus gespritztem Kunststoff, vorhanden, auf den eine Spule 22 aus lackisoliertem Kupfer-Draht 10 aufgewickelt ist. Die Enden des Drahtes 10 sind jeweils über nicht näher bezeichnete Rinnen im Spulenkörper 20 bzw. in zwei hiervon axial und diametral vorstehenden Vorsprüngen 24 zu den Windungsberei­ chen 12 des Drahtes 10 um die stiftförmigen Leiter 14 geführt. Die Leiter 14 sind zu­ sammen mit den Windungsbereichen 12 und den Hülsen 16 teilweise in nicht bezeich­ nete axiale Vertiefungen der Vorsprünge 24 eingeführt und in diesen gehalten. Der Spulenkörper 20 bzw. die Spulen 22 und die Vorsprünge 24 sind außen durch eine Umspritzung beispielsweise ebenfalls aus Kunststoff geschützt. Über die stabilen stift­ förmigen Leiter 14 kann die Magnetspule mit dem empfindlichen Draht 10 gefahrlos elektrisch angeschlossen werden.

Bei dem Anwendungsbeispiel aus Fig. 3 ist es beispielsweise möglich, daß der im Querschnitt kreisrunde stiftförmige Leiter 14 einen Durchmesser von etwa 1 mm und der Draht 10 einen Durchmesser von etwa 0,36 mm haben, während die Innen- und Außendurchmesser der im Querschnitt kreisrunden sowie eine in Umfangsrichtung konstante Wandungsstärke aufweisenden unverformten Hülse 16 etwa 1,8 mm und etwa 2,1 mm betragen.

Bei dem Anwendungsbeispiel aus Fig. 3 ist es ferner möglich, daß der Erhitzungsstrom bis t₁ von etwa 900 msec auf etwa I₁ = 500 A ansteigt und auf diesem Wert bis t₂ von etwa 920 msec verbleibt. Dann kann der erhöhte Schweißstrom von etwa I₂ = 1000 A einge­ schaltet und bis t₃ von etwa 950 msec beibehalten werden.

Der Erhitzungsstrom I₁ sollte einerseits nicht zu klein sein, weil sich sonst der Betriebsablauf unnötig verlängert, und andererseits nicht zu groß sein, damit zunächst die Hülse 16 und dann der Draht 10 schadlos resistiv erhitzt werden können.

Die Wandstärke der Hülse 16 kann in der Praxis beispielsweise etwa dem halben Durch­ messer des Drahtes 16 entsprechen. Eine wesentlich größere Wandstärke ist uner­ wünscht, weil unter anderem sonst zu große Stromstärken für den Erhitzungsstrom der Hül­ se 16 erforderlich sind und sich ungünstige Erhitzungsbedingungen für den Draht 10 erge­ ben. Eine wesentlich kleinere Wandstärke ist unerwünscht, weil sich die Hülse 16 dann unter dem Anpreßdruck bereits im Kaltzustand verformt.

Die einzelnen Betriebsparameter können vielfältig abgewandelt werden und sollten den jeweiligen Vorgaben und Betriebsbedingungen angepaßt werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.

Claims (24)

1. Verfahren zum elektrischen Verbinden eines lackisolierten, elektrisch leiten­ den Drahtes, insbesondere eines Endes eines Kupfer-Drahtes einer Spulen­ wicklung mit einem elektrischen Leiter, dadurch gekennzeichnet,
daß der Draht in wenigstens einer Windung um einen draht- bzw. stiftförmig ausgebildeten Leiter gewickelt wird,
daß eine im Windungsbereich des Drahtes diesen und den Leiter lose um­ schließende elektrisch leitende Hülse aufgebracht wird,
daß die Wandung der Hülse dem Anpreßdruck von zwei die Hülse einspan­ nenden und hiermit in elektrische Berührung kommenden Schweißgeräte- Elektroden ausgesetzt wird,
daß während einer Erhitzungsphase über die Elektroden ein die Hülse durch­ strömender sowie resistiv erwärmender Erhitzungsstrom aufgebracht wird, der die Hülse unter dem Einfluß von Hitze sowie Anpreßdruck zu einem nachge­ benden Verformen sowie die Lackisolierung des Drahtes durch die Hitze zum Verdampfen veranlaßt und der schließlich zum Bilden einer elektrischen Ver­ bindung zwischen den Elektroden und dem Leiter führt,
und daß dann während einer Schweißphase über die Elektroden bei vergrö­ ßertem Anpreßdruck derselben ein die zu verbindenden Teile sowie die Hülse verschweißender größerer Schweißstrom aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die der Hülse benachbarte äußere Lackisolierung des Drahtes durch Wärmekontakt und/oder Wärmestrahlung der Hülse verdampft wird und daß dann über die di­ rekte elektrische Verbindung zwischen Hülse sowie Draht durch diesen ein Teil des Erhitzungsstroms fließt, der den Draht resistiv erhitzt, die dem Leiter benachbarte innere Lackisolierung des Drahtes zum Verdampfen bringt und unter dem Einfluß des Anpreßdrucks zum Bilden einer direkten elektrischen Verbindung zwischen dem Draht und dem Leiter führt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiter aus Kupfer oder Phosphorbronze benutzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Querschnitt runder Leiter benutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Querschnitt kreisrunder Leiter benutzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht in mehreren Windungen um den Leiter gewickelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse aus Kupfer, alternativ aus Messing oder Bronze, benutzt wird, die sich über alle Windungen des Drahtes erstreckt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, daß eine eine solche Abmes­ sung aufweisende Hülse benutzt wird, die die zumindest eine Windung des Drahtes anfänglich mit geringem Spiel umschließt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Hülse in Anpassung an den Durchmesser des Drahtes und damit an die ohmschen Widerstandverhältnisse zwischen Hülse sowie Draht so gewählt wird, daß durch den Draht ein diesen ausreichend erwär­ mender, für den Draht unschädlicher Teil des Erhitzungsstroms fließt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse mit ei­ ner Wandstärke benutzt wird, die etwa dem halben Durchmesser des Drahtes entspricht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpreßdruck in Anpassung an die Wandstärke der Hülse so gewählt wird, daß sich die Hülse erst nach ausreichender Erhitzung derselben verformt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzungsstrom allmählich vergrößert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhit­ zungsstrom zeitlich gleichmäßig und/oder stufenförmig vergrößert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Erhitzungsstrom etwa dem halben Schweißstrom entspricht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß während der Erhitzungsphase ein Anpreßdruck benutzt wird, der maximal et­ wa halb so groß wie der Anpreßdruck während der Schweißphase ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrom selbsttätig abgeschaltet wird, sobald die gemessene Ge­ samtverformung ein vorgegebenes Maß erreicht hat.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse mit einer über ihren Umfang gleichbleibenden Wandstärke gewählt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse mit einer der Querschnittsform des Leiters angepaßten Innenquer­ schnittsform gewählt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse und ein Leiter mit einer von einem runden Querschnitt abweichen­ den Querschnittsform gewählt werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine längsgeschlitzte Hülse benutzt oder geformt wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß dieses bei der Herstellung von Magnetventilen für Einspritzanlagen von Ver­ brennungskraftmaschinen zum elektrischen Anschließen von Spulenenden benutzt wird.

22. Verwendung einer elektrisch leitenden Hülse zum elektrischen Verbinden ei­ nes lackisolierten, elektrisch leitenden Drahtes und eines draht- bzw. stiftför­ mig ausgebildeten elektrischen Leiters, wobei die Hülse den in wenigstens ei­ ner Windung um den Leiter gewickelten Draht in dessen Windungsbereich zumindest teilweise umschließt und der Draht an lackfreien gegenseitigen Be­ rührungsbereichen mit dem Leiter sowie der Hülse verschweißt ist.

23. Elektrische Verbindung zwischen einem lackisolierten, elektrisch leitenden Draht und einem elektrischen Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (10) den draht- bzw. stiftförmig ausgebildeten Leiter (14) mit wenigstens einer Windung eng umschließt, daß eine elektrisch leitende Hülse (16) den Win­ dungsbereich (12) des Drahtes zumindest teilweise eng umschließt und daß Schweißverbindungen zwischen lackfreien gegenseitigen Berührungsberei­ chen des Drahtes mit dem Leiter und der Hülse bestehen.

24. Elektrische Verbindung nach Anspruch 23 mit einem ringförmigen, elektrisch isolierenden Spulenkörper und mit einer auf den Spulenkörper aufgewickelten Spule aus lackisoliertem Kupfer-Draht, gekennzeichnet durch zwei in Längs­ richtung des Spulenkörpers (20) von diesem vorstehende, insbesondere dia­ metrale, elektrisch isolierende Vorsprünge (24), durch je ein in Längsrichtung des Spulenkörpers verlaufendes Sackloch in den Vorsprüngen, durch zwei in die Vertiefungen der Vorsprünge als elektrische Leiter und Anschlußmittel eingesteckte und aus diesen vorstehende Stifte (14), durch jeweils eine oder mehrere die Stifte umschließende Windungen der Enden des Kupfer-Drahtes (10) und durch zwei die Stifte und den Kupfer-Draht im Windungsbereich um­ schließende elektrisch leitende Hülsen (16).