DE2538295A1 - PROCESS FOR PRODUCING AN ELECTRICALLY CONDUCTIVE AND MECHANICALLY FIXED CONNECTION OF ALUMINUM CONDUCERS TO COPPER COMMUTATORS - Google Patents
PROCESS FOR PRODUCING AN ELECTRICALLY CONDUCTIVE AND MECHANICALLY FIXED CONNECTION OF ALUMINUM CONDUCERS TO COPPER COMMUTATORSInfo
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Description
R· 28 13 R 28 13
IiI. 8.1975 Wo/MlII. 8.1975 weeks / ml
Anlage zur
PatentanmeldungAttachment to
Patent application
Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen Verbindung von Aluminiumleitern an Kupfer kommutator enProcess for producing an electrically conductive and mechanically strong connection between aluminum conductors and copper commutators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen Verbindung von Aluminiumleitern an Kupferkommutatoren.The invention relates to a method for producing an electrically conductive and mechanically strong connection of Aluminum conductors on copper commutators.
Es ist bereits ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen Verbindung zwischen Kupferleitern und Kupferkommutatoren bekannt, bei dem durch elektrische Widerstandserwärmung und Druck, d. h. durch Warmpres-It is already a method for producing an electrically conductive and mechanically strong connection between copper conductors and copper commutators are known in which electrical resistance heating and pressure, i. H. by hot pressing
7 09810/010?7 09810/010?
- 2 - 2Z\ £- 2 - 2 Z \ £
sen = Hot staking die Leiterenden am Kommutator befestigt werden. Eine derart hergestellte Verbindung ist lediglich eine "bessere" Klemmverbindung, sie ergibt jedoch zwischen zwei Kupferteilen eine gute elektrisch leitende und mechanisch ausreichend feste Verbindung.sen = hot staking the conductor ends are attached to the commutator. A connection established in this way is only one "Better" clamping connection, but it results in a good electrically conductive and mechanical connection between two copper parts sufficiently strong connection.
Im Hinblick auf die Preisentwicklung für' Kupfer sind immer mehr Bestrebungen im Gange, Kupferleiter durch Aluminiumleiter zu ersetzen. Aluminium läßt sich jedoch nicht in derselben einfachen Weise wie Kupfer mit Metallen verbinden. Das bekannte Verfahren zum Verbinden von Kupferteilen läßt sich somit auch nicht zum Verbinden von Aluminiumleitern mit Kupferkommutatoren verwenden. Zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen Kupfer und Aluminium eignen sich bekannterweise Schweißverfahren, mittels derer die Oxydhaut des Aluminiums aufgerissen und eine gute elektrisch leitende Verbindung zwischen Aluminium und - wie hier angestrebt - Kupfer hergestellt wird. Solche Schweißverbindungen sind jedoch spröde, so daß die. mechanische Festigkeit für elektrische Maschinen, besonders wenn sie für den rauhen Betrieb in Kraftfahrzeugen bestimmt sind, nicht ausreicht.With regard to the price trend for 'copper, more and more efforts are underway to replace copper conductors through aluminum conductors to replace. However, aluminum cannot be combined with metals in the same simple manner as copper. The known A method for connecting copper parts can therefore also not be used for connecting aluminum conductors to copper commutators use. It is known that they are suitable for establishing an electrically conductive connection between copper and aluminum Welding process by means of which the oxide skin of the aluminum torn open and a good electrically conductive connection between aluminum and - as aimed here - copper is established will. However, such welded joints are brittle, so that the. mechanical strength for electrical machines, especially if they are intended for rough operation in motor vehicles, it is not sufficient.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen Verbindung von Aluminiumleitern an Kupferkommutatoren zu entwickeln, mit welchem außer der mechanischen Verklammerung durch elektrische Widerstandserwärmung und Druck eine metallurgische Verbindung zwischen Aluminium und Kupfer geschaffen und eine -Verfestigung des Verbindungsbereiches zwischen den beiden Metallen zustandegebracht wird, wobei das Verfahren so abzulaufen hat, daß bei der für die Massenfertigung erforderlichen kurzen Taktzeit eine sichere Verbindung zwischen Aluminium und Kupfer in einem Arbeitsgang unabhängig von den verschiedenen Schmelzpunkten der zu verbindenden Metalle hergestellt wird.The invention is therefore based on the object of a method for producing an electrically conductive and mechanically strong one To develop connection of aluminum conductors to copper commutators, with which apart from the mechanical interlocking a metallurgical connection between aluminum and copper is created by means of electrical resistance heating and pressure a strengthening of the connection area between the two metals is brought about, the process proceeding in this way has that, with the short cycle time required for mass production, a secure connection between aluminum and copper is produced in one operation regardless of the different melting points of the metals to be joined will.
709810/0107 - 3 -709810/0107 - 3 -
28 1 ?. ,28 1?. ,
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens ein in einer Ausnehmung einer Kommutatorlamelle aus Kufper eingelegtes Ende eines elektrischen Leiters aus Aluminium in "einem Verfahrensschritt durch elektrische Wirderstandserwärmung und Druck mit der Kommutatorlamelle elektrisch leitend und mechanisch verbunden wird, wobei zwischen Aluminium und Kupfer bei einer Temperatur kürz unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium eine Diffusionszone gebildet wird, in der die elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Metallen zustandekommt, und daß die mechanische Festigkeit der Verbindung durch weitere Druckerhöhung erzeugt wird, nachdem sich die Diffusionszone ausgebildet hat.According to the invention the object is achieved in that at least an end of an electrical conductor made of aluminum inserted in a recess of a commutator bar made of copper "a process step by means of electrical heating of the stand and pressure is electrically conductively and mechanically connected to the commutator bar, between aluminum and Copper at a temperature just below the melting point of aluminum, a diffusion zone is formed in which the electrically conductive connection between the two metals is achieved, and that the mechanical strength of the connection is generated by further pressure increase after the diffusion zone has formed.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Verfahren zum Ausführen der elektrischen Widerstandserwärmung und zum Durchführen des aus einzelnen Druckstufen bestehenden einzigen Arbeitsganges ein.Elektrodenpaar - dessen Masseelektrode auf die Lauffläche der Kommutatorlamelle gesetzt wird - derart verwendet, daß über eine auf eine Kupferlamelle gesetzte und deren die Aluminiumleiterenden aufnehmende Ausnehmung überdeckende Elektrode auf Lamelle und Leiterenden eine bestimmte Zeit ein Vorpreßdruck ausgeübt wird, anschließend eine Erhöhung des Druckes auf einen Schweißdruck erfolgt, kurz nach Erreichen dieses Druckes über die Elektrode die zum Ausbilden der Diffusionszone erforderliche elektrische Energie für eine bestimmte Zeit zugeführt wird, nach welcher eine weitere Erhöhung auf einen Nachpreßdruck bei abgeschaltetem Strom unter Ausnutzung der beim Ausbilden der Diffusionszone zwischen Aluminium und Kupfer erreichten Erwärmung des Kontaktbereichs erfolgt, wobei die Leiterenden und die Ausnehmung der Kupferlamelle absoluten Formschluß erhalten und die mechanisch feste Verbindung zwischen Aluminium und Kupfer erreicht wird.In a further embodiment of the invention, the method for carrying out the electrical resistance heating and to carry out the single one consisting of individual pressure stages A pair of electrodes - whose ground electrode is placed on the running surface of the commutator bar - like this used that over a put on a copper lamella and whose recess covering the aluminum conductor ends Electrode on lamella and conductor ends a pre-pressing pressure is exerted for a certain time, then an increase in the Pressure is applied to a welding pressure shortly after this pressure has been reached via the electrode used to form the diffusion zone required electrical energy is supplied for a certain time, after which a further increase on a Nachpreßdruck when the current is switched off, taking advantage of the formation of the diffusion zone between aluminum and Copper achieved heating of the contact area takes place, with the conductor ends and the recess of the copper lamella absolute Positive locking and the mechanically strong connection between aluminum and copper is achieved.
Die Diffusionszone soll sich entsprechend dem Verfahren für Mengenfertigung mit relativ kurzen Taktzeiten schnell im nötigen Ausmaß ausbilden. Dazu werden vorteilhafterweise die Pha-The diffusion zone should be according to the procedure for Train mass production with relatively short cycle times quickly to the extent necessary. For this purpose, the phases are advantageously
709810/0107 _ 4 _709810/0107 _ 4 _
sen des einzigen Arbeitsganges über ein Druckprogramm und
der um 5^7° C liegende Temperaturbereich für das Ausbilden
der Diffusionszone elektronisch gesteuert. Bei 5^7 C bildet
sich bekannterweise am günstigsten die Diffusionszone
in Form von Al Cu aus.sen of the single work step via a print program and
the temperature range around 5 ^ 7 ° C for the formation of the diffusion zone is electronically controlled. It is known that the diffusion zone is best formed at 5 ^ 7 C
in the form of Al Cu.
Da Aluminium einen wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt als Kupfer hat, ist es von Vorteil, die relativ v/eichen Aluminiumleiterenden beim Verstemmen und Kontaktieren entsprechend dem Verfahren vor dem Abquetschen dadurch zu schützen, daß an die an die Ausnehmung grenzende Stirnseite der Kommutatorlaraellen eine Stützfläche für die Leiterenden angeformt wird, deren Mantelfläche eine axiale Verlängerung des Grundes der Ausnehmung bildet. Dazu hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß die Stützfläche einstückig mit einer die Kommutatorlamellen tragenden Nabe aus Isolierstoff gebildet wird.Since aluminum has a significantly lower melting point than copper, it is advantageous to use the relatively v / cal aluminum conductor ends when caulking and contacting according to the method to protect against squeezing in that to the a support surface for the conductor ends is formed on the end face of the commutator larvae bordering the recess, whose The outer surface forms an axial extension of the bottom of the recess. To this end, it has proven to be useful that the support surface is formed in one piece with a hub that carries the commutator segments and is made of insulating material.
Bei unter ungünstigen Bedingungen arbeitenden elektrischen Maschinen kann ein zusätzlicher Korrosionsschutz erforderlich sein, wozu die Ausnehmungen der Kommutatorlamellen vor dem Einlegen der Leiterenden mit einer Nutauskleidung versehen werden können.In the case of electrical machines working under unfavorable conditions, additional corrosion protection may be required be, for which purpose the recesses of the commutator bars are provided with a slot lining before the conductor ends are inserted can be.
Anhand einer Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Sie zeigt inThe method according to the invention is explained in more detail with the aid of a drawing. She shows in
Pig.l einen Kommutator im Teilschnitt mit eingelegten Leiterenden und Elektroden einer Kontaktiervorrichtung in der Ausgangsstellung,Pig.l a commutator in partial section with inserted Conductor ends and electrodes of a contacting device in the starting position,
Fig. 2 in eine Ausnehmung eingelegte Leiterenden inFig. 2 in a recess inserted conductor ends in
einem Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,a section along the line II-II in Fig. 1,
Fig. 3 die in die Ausnehmung eingelegten Leiterenden
nach dem Vorpressen3 shows the conductor ends inserted into the recess
after pre-pressing
Fig. H die in die Ausnehmung eingelegten Leiterenden
nach dem Ausbilden der Diffusionszone und dem H shows the conductor ends inserted into the recess
after the formation of the diffusion zone and the
Nachpressen,Repressing,
709810/0107709810/0107
538^95538 ^ 95
Fig. 5 den Kommutator im Teilschnitt mit kontaktierten Leiterenden.Fig. 5 shows the commutator in partial section with contacted Ladder ends.
Das Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen Verbindung von Aluminiumleiterenden 1 in Kupferkommutatoren 2 wird in einer Vorrichtung durchgeführt, welche durch eine Masseelektrode 3 und eine Arbeitselektrode 4 vereinfacht dargestellt ist. In dieser nicht näher dargestellten Vorrichtung ist der Kommutator 2 aufgenommen, dessen mit Fahnen 5 versehene Lamellen 6 bereits in eine Nabe 7 aus Isolierstoff eingebettet sind. Die Nabe 7 ist noch auf eine Buchse 8 aufgebracht. An der mit den Fahnen 5 versehenen Stirnseite des Kommutators 2 ist der Isolierstoff als Bund 9 ausgebildet. Die Mantelfäche 10 des Bundes 9 bildet eine axiale Verlängerung des Grundes 11 eines Schlitzes 12 in jeder Lamelle 6.The method for producing an electrically conductive and mechanically strong connection of aluminum conductor ends 1 in Copper commutators 2 is carried out in a device, which by a ground electrode 3 and a working electrode 4 is shown in simplified form. In this not shown in detail The device includes the commutator 2, the lamellae 6 of which are provided with lugs 5 already in a hub 7 made of insulating material are embedded. The hub 7 is still attached to a bush 8. At the one provided with the flags 5 At the end of the commutator 2, the insulating material is designed as a collar 9. The jacket surface 10 of the collar 9 forms an axial one Extension of the base 11 of a slot 12 in each lamella 6.
In den Schlitz 12 jeder Lamelle 6 sind zwei Leiterenden 1 eingelegt, wobei das am Grund 11 anliegende Leiterende 1 (Unterlagendraht) auch auf der Mantelfläche IG des Bundes 9 aufliegt, welche als Stützfläche dient. Die Masseelektrode 3 wird nun auf die Lauffläche der Lamelle 6 gesetzt, während die Arbeitselektrode 4 unter Vorpreßdruck auf das etwas über den Rand der Fahne 5 ragende Leiterende 1 (Oberlagendraht) gedrückt wird, bis die Elektrode 4 auf der Fahne 5 aufliegt. Die Leiterenden 1 werden dabei so in den Schlitz 12 gedrückt, daß sie bereits einen guten Formschluß mit den Wänden 13 und dem Grund 11 des Schlitzes 12 bilden (Fig. 3).Two conductor ends 1 are inserted into the slot 12 of each lamella 6, with the conductor end 1 lying on the base 11 (underlay wire) also rests on the lateral surface IG of the federal 9, which serves as a support surface. The ground electrode 3 is now placed on the running surface of the lamella 6, while the working electrode 4 under pre-pressing pressure on the something over the edge of the lug 5 protruding conductor end 1 (top layer wire) is pressed until the electrode 4 rests on the lug 5. The conductor ends 1 are pressed into the slot 12 so that they already have a good form fit with the walls 13 and form the base 11 of the slot 12 (Fig. 3).
Nunmehr wird der Druck der Arbeitselektrode 4 auf Schweißdruck erhöht und kurz nach dessen Erreichen die zum Ausbilden einer Diffusionssone an den Leiterenden 1 entlang den Wänden 13 und dem Grund 11 des Schlitzes 12 der Lamelle 6 erforderliche elektrische Energie zugeführt. Dabei bildet sich in etwa einem Drittel der Taktzeit, in welcher nur ein einziger Arbeitsgang erforderlich ist, die Diffusionszone aus. Der Temperaturbereich, in dem sich die Diffusionszone in FormThe pressure of the working electrode 4 now becomes welding pressure increases and shortly after it is reached, the formation of a diffusion zone at the conductor ends 1 along the walls 13 and the bottom 11 of the slot 12 of the lamella 6 required electrical energy. This forms roughly a third of the cycle time, in which only a single work step is required, the diffusion zone. Of the Temperature range in which the diffusion zone is in shape
709810/0107 " 6 ~709810/0107 " 6 ~
" β " 28 13" β " 28 13
von AIpCu am günstigsten ausbildet, wird durch elektronische
Steuerung möglichst genau auf 5^7° C gehalten.The cheapest way to train from AIpCu is through electronic
Control held as precisely as possible at 5 ^ 7 ° C.
Durch den über die Arbeitselektrode 4 auf die Leiterenden 1 im
Schlitz 12 und den Randbereich Ik der Fahne 5 ausgeübten
Schweißdruck und die zugeführte Stromwärme während der Ausbildung der Diffusionszone wird der Kontaktbereich zwischen Fahne
5 und Leiterenden 1 so erwärmt, daß bei Druckerhöhung auf den
Nachpreßdruck nach Ausbilden der Diffusions zone und abgeschaltetem Strom die Arbeitselektrode k die Leiterenden 1 im Schlitz
12 fest verstemmt. Leiterenden 1 und Fahne 5 erhalten dabei
absoluten Formschluß, ohne daß das den Oberlagendraht bildende Leiterende 1 unzulässig stark deformiert wird (Fig. 4). Durch
das Nachpressen wird der Relaxation des Aluminiums derart
entgegengewirkt, daß die durch die Diffusionszone gebildete
gute elektrisch leitende Verbindung zwischen Aluminium und
Kupfer, welche an sich spröde ist, so verfestigt wird, daß sie auch den mechanischen Anforderungen genügt. Das ist besonders
bei Kommutatoren für elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen erforderlich, die großer Schüttelbewegung ausgesetzt
sind.Through the exerted on the conductor ends 1 in the slot 12 and the edge area Ik of the lug 5 via the working electrode 4
Welding pressure and the current heat supplied during the formation of the diffusion zone, the contact area between the lug 5 and conductor ends 1 is heated so that when the pressure increases on the
Nachpreßdruck after forming the diffusion zone and switched off current, the working electrode k, the conductor ends 1 in the slot 12 caulked firmly. Ladder ends 1 and 5 flag received
absolute form fit, without the conductor end 1 forming the top layer wire being deformed to an inadmissible degree (FIG. 4). By
the re-pressing becomes the relaxation of the aluminum
counteracted that the formed by the diffusion zone
good electrically conductive connection between aluminum and
Copper, which is inherently brittle, is solidified in such a way that it also meets the mechanical requirements. This is particularly necessary in the case of commutators for electrical machines in motor vehicles that are exposed to large shaking movements
are.
Um das elektrochemische Spannungsgefälle vom Kupfer zum Aluminium möglichst niedrig zu halten und so Korrosion weitgehend
zu verhindern, werden bei ungünstigen Umgebungsbedingungen die Schlitze 12 vor dem Einlegen der Leiterenden 1 mit einer Nutauskleidung
- beispielsweise durch Verzinnen - versehen.In order to keep the electrochemical voltage gradient from copper to aluminum as low as possible and thus to minimize corrosion
To prevent this, in unfavorable ambient conditions the slots 12 are provided with a slot lining - for example by tin-plating - before the conductor ends 1 are inserted.
709810/0107709810/0107
Claims (7)
mechanisch festen Verbindung von Aluminiumleitern an
Kupferkommutatoren,, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein in einer Ausnehmung (12) einer Kommutatorlamelle (5,
6) aus Kupfer eingelegtes Ende (1) eines elektrischen Leiters aus Aluminium in einem Verfahrensschritt durch elektrische Widerstandserwärmung und Druck mit der Kommutatorlamelle (5, 6) elektrisch leitend und mechanisch verbunden wird, wobei zwischen Aluminium und Kupfer bei einer Temperatur kurz unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium eine Diffusionszone gebildet wird, in der die elektrisch leiten-■ de Verbindung zwischen den beiden Metallen (1; 5) zustandekommt, und daß die mechanische Festigkeit der Verbindung
durch weitere Druckerhöhung erzeugt wird, nachdem sich die Diffusionszone ausgebildet hat.l) Method of producing an electrically conductive and
mechanically firm connection of aluminum conductors
Copper commutators, characterized in that at least one in a recess (12) of a commutator bar (5,
6) the copper-inserted end (1) of an electrical conductor made of aluminum is electrically conductively and mechanically connected to the commutator bar (5, 6) in one process step by electrical resistance heating and pressure, whereby between aluminum and copper at a temperature just below the melting point of Aluminum a diffusion zone is formed in which the electrically conductive ■ connection between the two metals (1; 5) comes about, and that the mechanical strength of the connection
is generated by further pressure increase after the diffusion zone has formed.
überdeckende Elektrode (4) auf Lamelle (5) und Leiterende
(1) eine bestimmte Zeit ein Vorpreßdruck ausgeübt wird,
anschließend eine Erhöhung des Druckes auf einen Schweißdruck erfolgt, kurz nach Erreichen dieses Druckes über die Elektrode (1J) die zum Ausbilden der Diffusionszone erforderliche elektrische Energie für eine bestimmte Zeit zugeführtvia a recess (12) placed on a copper lamella (5 3 6) and receiving the aluminum conductor ends (1)
Covering electrode (4) on lamella (5) and conductor end
(1) a pre-pressure is applied for a certain period of time,
the pressure is then increased to a welding pressure, shortly after this pressure has been reached, the electrical energy required to form the diffusion zone is supplied for a certain time via the electrode (1 J)
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