DE60309687T3

DE60309687T3 - Verbindung eines flexiblen leiters mit einer verbindungsklemme und verfahren dafür

Info

Publication number: DE60309687T3
Application number: DE60309687T
Authority: DE
Inventors: Massimo Maura; Federico Gamba
Original assignee: ABB SpA
Current assignee: ABB SpA
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2023-04-12
Also published as: RU2304331C2; RU2004133059A; ES2275093T3; EP1495518B2; DE60309687T2; JP2005522841A; AU2003227619A1; ATE345588T1; DE60309687D1; EP1495518A2; WO2003088288A3; WO2003088288A2; CN1647330A; ITMI20020789A0; AU2003227619A8; CN1647330B; EP1495518B1; US7128620B2; ES2275093T5; WO2003088288A8

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Element zum Verbinden von flexiblen Leitern, insbesondere für Niederspannungsstrombkreiunterbrecher und -kontaktgeber, und auf ein Verfahren zum Verbinden eines flexiblen Leiters, insbesondere einer oder mehrerer Litzen mit einem Verbindungsanschluss, insbesondere mit einem Verbindungsanschluss eines beweglichen Kontakt eines Niederspannungsschaltkreisunterbrechers oder -kontaktgebers mit Hilfe von Laserverschweißen.
Elektrische Schaltkreisunterbrecher und Kontaktgeber sind normalerweise mit einem flexiblen Leiter versehen, der einen beweglichen Kontakt und einen feststehenden Kontakt funktional verbindet. Die Verfahren des Standes der Technik zum Bereitstellen der Verbindungen des flexiblen Leiters mit dem beweglichen Kontakt und mit dem feststehenden Kontakt basieren normalerweise auf Schweißlötvorgängen, wie dem in der US-A-4,774,394 offenbarten Verfahren.
Diese Vorgänge erzeugen relativ lang andauernde hohe Temperaturen in einem relativ großen Gebiet um den Schweißbereich herum. Dies verursacht ein Glühen des Leiters, der allgemein aus Kupfer hergestellt ist, mit einer daraus folgenden Verringerung und Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des flexiblen Leiters, was unweigerlich zu einer Verringerung der Nutzlebensdauer des gesamten Schaltkreisunterbrechers oder Kontaktgebers führt und komplizierte Wartungsvorgänge oder sogar den Austausch von Vorrichtungen erfordert.
Der Teil des Verbindungsanschlusses, der den Schweißbereich umgibt, sowohl auf dem beweglichen Kontakt als auch auf dem feststehenden Kontakt, ist auch der durch die Erhitzung verursachten Glühwirkung unterworfen, mit sich daraus ergebener Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften dieser Komponenten.
Darüber hinaus erfordern diese Vorgänge einen intensiven Einsatz von Energie und sind teuer, kaum flexibel und sperrig.
Jedoch ist es schwierig, Alternativen für dieses Verfahren zu finden, die industriell durchgeführt werden können, da es sich dabei um das Verbinden von Elementen handelt, die eine unregelmäßige Form besitzen. Z. B. ist es im Fall der Verbindung zwischen leitenden Litzen und dem Verbindungsanschluss des beweglichen Kontakts notwendig, der Verbindung sowohl eine ausreichende mechanische Stabilität als auch die notwendige elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, indem die nutzbaren Oberflächen des Anschlusses auf bestmögliche Weise eingesetzt werden, und dies ist im Hinblick auf die Formeigenschaften der Litze nicht immer einfach. Des Weiteren können auch die Abmessungen des flexiblen Leiters und des Verbindungsanschlusses relativ groß sein und dementsprechend muss das Schweißsystem ein adäquates Leistungsniveau aufweisen.
Ultraschallschweißen besitzt z. B. nicht die oben genannten Nachteile des Glühens, jedoch ist es im Hinblick auf dessen bekannte Leistungsbeschränkungen nicht praktisch einsetzbar.
Aus der obigen Beschreibung ist offensichtlich, dass im Stand der Technik die Notwendigkeit besteht, Systeme zum Verbinden flexibler Leiter mit starren Elementen zu haben, die eine gangbare Alternative zu den Verbindungen darstellen, die mit Hilfe herkömmlicher Schweißlötverfahren erhalten werden. Es ist auch offensichtlich, dass im Stand der Technik die Notwendigkeit besteht, ein effizientes Verfahren zum Verbinden flexibler Leiter, insbesondere Kupferlitzen, mit Verbindungsanschlüssen zu haben.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindung zwischen einem flexiblen Leiter und einem Verbindungsanschluss bereitzustellen, die eine hohe mechanische Stabilität und eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt und effizient hergestellt werden kann.
Innerhalb dieses Ziels ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden eines flexiblen Leiters mit einem Verbindungsanschluss bereitzustellen, das keine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Leiters und/oder des Verbindungsanschlusses verursacht.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden eines flexiblen Leiters mit einem Verbindungsanschluss bereitzustellen, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit sicherstellt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungsstück zwischen einer Kupferlitze und einem Verbindungsanschluss in einem Niederspannungsschaltkreisunterbrecher oder -kontaktgeber bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden einer Kupferlitze mit einem Verbindungsanschluss in einem Niederspannungsschaltkreisunterbrecher oder -kontaktgeber bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden eines flexiblen Leiter mit einem Verbindungsanschluss sowie ein Verbindungsstück zwischen einem flexiblen Leiter und einem Verbindungsanschluss bereitzustellen, das einfach, mit moderaten Kosten und auf wirtschaftlich wettbewerbsfähige Weise industriell anwendbar ist.
Diese Anwendung eignet sich auch für den Einsatz mit gegenwärtig weit verbreiteten preisgünstigen robotisierten Handhabungseinheiten, die umfassende neue Vorteile im Hinblick auf Flexibilität und Programmierbarkeit in einem Gebiet einführen, das bisher als extrem inflexibel angesehen wurde. Diese Eigenschaften erlauben es z. B., mit derselben Schweißstation eine sehr unterschiedliche Bandbreite von Verbindern und Anschlüssen zu behandeln.
Dieses Ziel, diese Aufgaben sowie weitere, die aus der folgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich werden, werden mit Hilfe einer Verbindung zwischen einem flexiblen Leiter und einem Verbindungsanschluss entsprechend Anspruch 1 erzielt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines Verbindungsstücks zwischen einem flexiblen Leiter und einem Verbindungsanschluss entsprechend Anspruch 6.
Es ist in der Tat herausgefunden worden, dass durch Verwenden der Verbindung entsprechend der Erfindung und des Verfahrens der Erfindung Verbindungen bereitgestellt werden, die durch hohe mechanische Stabilität und hohe elektrische Leitfähigkeit charakterisiert sind. Der Benutzer der Laserschweißvorrichtung vermeidet darüber hinaus die Glühprobleme des Standes der Technik, wodurch dementsprechend die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Teile bewahrt werden.
Die Eigenschaften der Verbindung und des Verfahrens entsprechend der vorliegenden Erfindung werden besser mit Bezug auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen offensichtlich, die lediglich im Zuge eines nicht beschränkenden Beispiels dargelegt sind:
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Verbindungsanschlusses und der flexiblen Leiter entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Verbindung zwischen flexiblen Leitern und einem Verbindungsanschluss entsprechend der Erfindung und eines Verfahrens entsprechend der Erfindung zum Bereitstellen der Verbindung.
Mit Bezug auf 1 sind die die Verbindung bildenden Elemente ein Verbindungsanschluss 1, der im Wesentlichen wie ein Parallelepiped geformt ist, mit einer oberen Fläche 11 und einer unteren Fläche 12, zwei Seitenflächen 13 und 14 und einer Endfläche 15. Der Verbindungsanschluss besitzt an der Endfläche 15 einen oder mehrere im Wesentlichen parallelepipedförmige Schlitze 150, die sich durch die gesamte Dicke des Verbindungsanschlusses erstrecken. In der Praxis kann man sagen, dass die Endfläche 15 in dem Beispiel ein Rechteckwellenprofil besitzt.
Ein zweites Element, das zur Verbindung gehört, ist ein flexibler Leiter 2, der einen Endteil 21 besitzt, welcher so geformt ist, dass er im Wesentlichen mit den Innenwänden der Schlitze 150 zusammenpasst.
Mit Bezug auf 2 wird gezeigt, dass die Verbindung entsprechend der Erfindung von dem Endteil 21 des Leiters 2 dargestellt wird, der in die Schlitze 150 eingesetzt wird. Der flexible Leiter 2 steht in diesem Fall im Wesentlichen unter einem rechten Winkel aus der unteren Fläche 12 des Verbindungsanschlusses 1 hervor.
Wieder mit Bezug auf 2 verläuft mindestens eine Laserschweißwulst 3 entlang des Verbindungsanschlusses 1 an den Schlitzen 150 entlang der Endfläche 15 und/oder entlang der Fläche, die jener gegenüberliegt, aus welcher der flexible Leiter hervorsteht. Im Fall der 2 befinden sich Laserschweißwülste 3 sowohl entlang der Endfläche 15 als auch entlang der oberen Fläche 11.
Der Begriff „Schweißwulst” bezeichnet das geschmolzene Material, das durch das Abtasten der Laservorrichtung entlang vorgeschriebener Linien erzeugt wird.
Bevorzugt, und wie schematisch in 1 und 2 gezeigt, wird der flexible Leiter 2 von einer oder mehreren Kupferlitzen gebildet. Wie im Folgenden deutlicher beschrieben, kann der geformte Endteil 21 des flexiblen Leiters 2 einfach durch Zusammendrücken der Litze erhalten werden.
Insbesondere wenn das Verbindungsstück relativ groß ist, ist es bevorzugt, mehrere Laserschweißwulste 3 vorzusehen; in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Wulste sowohl entlang der Endfläche 15 als auch, wie z. B. in 2 gezeigt, entlang der Fläche 11 verlaufen, welche in diesem Fall jene Fläche ist, die gegenüber der Fläche 12 liegt, aus welcher die flexiblen Leiter 2 hervorstehen.
Die Verbindungen entsprechend der Erfindung werden geeigneterweise z. B. in Niederspannungsschaltkreisunterbrechern und -kontaktgebern eingesetzt. Die Schaltkreisunterbrecher und Kontaktgeber umfassen in ihrer am meisten schematisierten Form mindestens einen beweglichen Kontakt, einen flexiblen Leiter und einen Verbindungsanschluss. Die Verbindungen zwischen dem beweglichen Kontakt und dem flexiblen Leiter und zwischen dem flexiblen Leiter und dem Verbindungsanschluss können geeignet durch einer Verbindung entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt werden. Die Schaltkreisunterbrecher und Kontaktgeber stellen einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung dar.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Breitstellen einer Verbindung zwischen einem flexiblen Leiter und einem Verbindungsanschluss und wird im Folgenden detailliert beschrieben. Mit Bezug auf 1 und 2 umfasst das Verfahren entsprechend der Erfindung die folgenden Schritte. Ein Verbindungsanschluss 1, der im Wesentlichen wie ein Parallelepiped geformt ist, wird hergestellt und besitzt eine obere Fläche 11, eine untere Fläche 12, zwei Seitenflächen 13 und 14 und eine Endfläche 15; ein oder mehrere Schlitze 150, die im Wesentlichen wie ein Parallelepiped geformt sind, sind an der Endfläche 15 vorgesehen und erstrecken sich durch die gesamte Dicke des Verbindungsanschlusses. Darüber hinaus ist ein flexibler Leiter 2 vorgesehen, der einen Endteil 21 aufweist, das so geformt ist, dass es im Wesentlichen mit den Innenwänden der Schlitze zusammenpasst.
Der geformte Endteil 21 wird in die Schlitze 150 eingesetzt und kalt geprägt, so dass der flexible Leiter 2 im Wesentlichen unter rechten Winkeln aus der oberen oder der unteren Fläche des Verbindungsanschlusses hervorsteht, z. B. aus der unteren Fläche 12.
Mit Bezug auf 2 werden die Endfläche 15 und/oder die untere Fläche 12 der Schweißwirkung einer Laservorrichtung 40 (schematisch gezeigt) unterworfen, um eine Schweißstelle zwischen dem Verbindungsanschluss und dem flexiblen Leiter bereitzustellen.
Wie erwähnt wird der flexible Leiter bevorzugt von einer oder mehreren Kupferlitzen gebildet und der geformte Endteil wird durch Komprimieren der Litze erhalten.
Die Schweißwirkung wird bevorzugt mit Hilfe des Abtastens der Laservorrichtung auf den Flächen 15 und/oder 11 oder 12 erhalten, und zwar entlang einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen 13 und 14 des Verbindungsanschlusses ist. In jedem Fall ist es, insbesondere für relativ große Verbindungen, bevorzugt, dass die Laservorrichtung mehrere Abtastungen sowohl auf der Endfläche 15 als auch auf der Fläche 11 oder 12 durchführt, und zwar entlang Richtungen, die im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen des Verbindungsanschlusses sind.
Es ist dem Fachmann offensichtlich, dass diese Abtastung mit Hilfe einer Relativbewegung der Laservorrichtung in Bezug auf die zu verschweißenden Komponenten während des Schweißvorgangs durchgeführt werden kann. Diese Relativbewegung kann in der Praxis dadurch bereitgestellt werden, dass die zu verschweißenden Komponenten bewegungslos gehalten werden und die Laservorrichtung bewegt wird, oder dass die Laservorrichtung bewegungslos gehalten wird und die zu verschweißenden Komponenten bewegt werden, oder dass beide bewegt werden.
Die Abtastgeschwindigkeit, der Einfallwinkel und alle anderen physikalischen Parameter der im Folgenden detaillierter beschriebenen Laservorrichtung können entsprechend den Eigenschaften der zu verschweißenden Elemente gewählt und moduliert werden, wie z. B. entsprechend ihrer chemischen Natur oder ihrer Dicke, können jedoch auch während der Schweißvorgänge geeignet gesteuert und geändert werden, um die Erhitzung der betroffenen Bereiche zu kompensieren und allgemein die Ergebnisse zu optimieren.
Obwohl es möglich ist, Laservorrichtungen einer anderen Art zu verwenden, ist es besonders bevorzugt, einen Feststofflaser zu verwenden, z. B. einen Nd-Kristall-Laser. Auch in diesem Fall können die Betriebscharakteristiken des Lasers, wie z. B. seine Frequenz, Leistung oder sein Einfallwinkel, seine Abtastgeschwindigkeit und Einfallwinkel als Funktion der Eigenschaften der zu verschweißenden Elemente und der zu erhaltenden Ergebnisse gewählt und moduliert werden.
In der Praxis hat man herausgefunden, dass es durch Verwenden des Verfahrens entsprechend der Erfindung möglich ist, Verbindungen zu erhalten, die im Hinblick auf ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften hervorragend sind. Insbesondere werden die Probleme des Kupferglühens, die typisch für Schweißlötvorgänge sind, vermieden.
In der Praxis wird die extrem hohe elektrische Leitfähigkeit, die durch das Kaltprägen der flexiblen Leiter auf die Verbindungsanschlüsse erhalten wird, selbst nach dem Schweißvorgang entsprechend der Erfindung sichergestellt, wodurch eine Verschlechterung der Leitfähigkeit vermieden wird, die ansonsten typisch für Verbindungen ist, welche dem Schweißlötvorgang unterworfen werden. Der Laserverschweißung wird die Aufgabe der Stabilisierung des Systems in mechanischer Hinsicht und des Verhinderns der thermischen Ausdehnung der Materialien unter Betriebsbedingungen überlassen, so dass die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften nicht kompromittiert werden.
Des Weiteren erlaubt der Einsatz der Laservorrichtung, die Anwendung von Wärme zu vermeiden, die kritisch und für die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten schädlich wäre.
Das Verfahren entsprechend der Erfindung ist weiterhin dafür geeignet, in automatisierten Produktionszyklen eingesetzt zu werden, wodurch es z. B. ermöglicht wird, Schaltkreisunterbrecher, Kontaktgeber und Komponenten von Schaltkreisunterbrechern und Kontaktgebern auf effiziente und relativ billige Weise zu erhalten.
In der Praxis hat man herausgefunden, dass die Verbindungen entsprechend der Erfindung sowie das Verfahren zu deren Herstellung das beabsichtigte Ziel und die Aufgaben vollständig erreichen.
In der Praxis können die verwendete Materialien sowie die möglichen Formen und Abmessungen entsprechend den Anforderungen und im Stand der Technik beliebig sein.

Claims

Verbindung zwischen mindestens einem flexiblen Leiter (2) und einem Verbindungsanschluss (1), wobei: – der Verbindungsanschluss (1) im Wesentlichen wie ein Parallelepiped geformt ist und eine obere Fläche (11) und eine untere Fläche (12), zwei Seitenflächen (13, 14) und eine Endfläche (15) aufweist, wobei der Verbindungsanschluss auf der Endfläche mindestens einen Schlitz (150) besitzt, der im Wesentlichen wie ein Parallelepiped geformt ist und sich durch die gesamte Dicke des Verbindungsanschlusses (1) erstreckt; – ein Endteil (21) des mindestens einen flexiblen Leiters (2) so geformt ist, dass es im Wesentlichen mit den Innenwänden des Schlitzes (150) zusammenpasst, wobei der Endteil (21) in den Schlitz (150) eingesetzt wird, so dass der flexible Leiter (2) im Wesentlichen unter einem rechten Winkel aus entweder der oberen Fläche (11) oder der unteren Fläche (12) des Verbindungsanschlusses (1) hervorsteht; wobei der Endteil (21) in dem Schlitz (150) untergebracht ist, so dass mindestens zwei benachbarte Flächen des Endteils (21), die nicht aus dem Schlitz (150) hervorstehen, geeignet sind, einer Schweißwirkung einer Laservorrichtung (40) ausgesetzt zu sein, und zwar entlang mindestens einer der beiden Flächen des Verbindungsanschlusses (1), aus denen der flexible Leiter (2) nicht hervorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Laserschweißwulst (3) auf im Wesentlichen durchgehende Weise am Schlitz (150) verläuft, im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Verbindungsanschlusses (1), der den Schlitz (150) umfasst.
Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere flexible Leiter (2) aus einer Kupferlitze bestehen.
Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Endteil des flexiblen Leiters (2) geformt wird, indem die Litze komprimiert wird.
Verbindung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Laserschweißwulsten (3) umfasst, die entlang mindestens einer der beiden Flächen verläuft, aus denen der flexible Leiter (2) nicht hervorsteht.
Verbindung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Niederspannungsstromkreisunterbrecher oder einem Kontaktgeber als erste Verbindung zwischen mindestens einem beweglichen Kontakt und einem flexiblen Leiter (2) des Stromkreisunterbrechers oder Kontaktgeber und/oder als zweite Verbindung zwischen einem Verbindungsanschluss und dem flexiblen Leiter des Stromkreisunterbrechers oder Kontaktgebers verwendet wird.
Verfahren zum Bereitstellen einer Verbindung zwischen mindestens einem flexiblen Leiter (2) und einem Verbindungsanschluss (1), umfassend die folgenden Schritte, die bestehen aus: – Bereitstellen eines Verbindungsanschlusses (1), der im Wesentlichen wie ein Parallelepiped mit einer oberen Fläche (11) und einer unteren Fläche (12), zwei Seitenflächen (13, 14) und einer Endfläche (15) geformt ist, wobei der Verbindungsanschluss (1) auf der Endfläche (15) mindestens einen Schlitz (150) aufweist, der im Wesentlichen wie ein Parallelepiped geformt ist und durch die gesamte Dicke des Verbindungsanschlusses verläuft; – Bereitstellen mindestens eines flexiblen Leiters (2), bei dem ein Endteil (21) so geformt ist, dass er im Wesentlichen mit den Innenwänden der Schlitze (150) zusammenpasst; – Einsetzen und Kaltprägen des geformten Endteils (21) in die Schlitze (150), so dass der flexible Leiter (2) im Wesentlichen unter rechtem Winkel aus entweder der oberen Fläche (11) oder der unteren Fläche (12) des Verbindungsanschlusses (1) hervorsteht; – Unterbringen des Endteils (21) in dem Schlitz (150), so dass mindestens zwei benachbarte Flächen des Endteils (21), die nicht aus dem Schlitz (150) hervorstehen, geeignet sind, einer Schweißwirkung einer Laservorrichtung (40) ausgesetzt zu werden, und zwar entlang mindestens einer der beiden Flächen des Verbindungsanschlusses (1), aus denen der flexible Leiter (2) nicht hervorsteht; dadurch gekennzeichnet, dass es weiter den folgenden Schritt umfasst: – Bereitstellen mindestens einer Laserschweißwulst (3), die auf im Wesentlichen durchgehende Weise am Schlitz (150) verläuft, im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Verbindungsanschlusses (1), welcher den Schlitz (150) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Leiter (2) aus mindestens einer Kupferlitze besteht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Endteil (21) des flexiblen Leiters (2) durch Komprimieren der Litze erhalten wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (40) mindestens eine der beiden Flächen abtastet, aus denen der flexible Leiter (2) nicht hervorsteht, und zwar entlang Richtungen, die im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen des Verbindungsanschlusses (1) sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (40) mehrere Abtastungen auf mindestens einer der beiden Flächen ausführt, aus denen der flexible Leiter (2) nicht hervorsteht, und zwar entlang Richtungen, die im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen des Verbindungsanschlusses (1) sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (40) aus einem Festkörperlaser besteht.