WO2010108734A2 - Elektrische verbindung paarweiser einzelleiter und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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WO2010108734A2
WO2010108734A2 PCT/EP2010/052111 EP2010052111W WO2010108734A2 WO 2010108734 A2 WO2010108734 A2 WO 2010108734A2 EP 2010052111 W EP2010052111 W EP 2010052111W WO 2010108734 A2 WO2010108734 A2 WO 2010108734A2
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individual conductors
conductor ends
connecting element
nanofoil
joint
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Reiner Ramsayer
Martin Rittner
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Robert Bosch Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0006—Exothermic brazing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B23K1/0016—Brazing of electronic components
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electrical connection of at least two individual conductors according to the preamble of claim 1 and an electrical connection according to the preamble of claim 12 or claim 13 produced by this method.
  • Nanofoil refers to films that are used to produce a permanent bond between two workpieces by soldering, brazing or by diffusion bonding.
  • the functional principle of Nanofoil is based on a strongly exothermic reaction of chemical materials embedded in the films. As a result, very high temperatures are reached for a short time on the surface of the workpiece or the nanofoil, which are needed for soldering or welding. Since this heat is applied only for a very short period of time, the workpiece is not overheated. Further details about the material, its properties and its application for joining two parts together can be found in the document US Pat. No. 7,354,659 B2.
  • Welding point can no longer occur due to the lower heating.
  • This in turn allows a compact arrangement of a plurality of joints with electrical connections of paired individual conductors, especially in electrical machines.
  • achieved with the connecting element at the joints in addition a high mechanical Strength of the electrical connections, so that they withstand high mechanical stresses even in use.
  • This combination of electrical and mechanical connection of pairs of conductors is particularly suitable for use on electrical machines subjected to shock, vibration and / or vibration stresses.
  • the individual conductors at their pairs to be electrically connected to each other conductor ends with a rectangular cross-section to lay flat and insert the nanofoil in between.
  • the individual conductors can be used as part of a winding of an electrical machine in the Bleckb and welded to a front side of the Bleckwovenes projecting conductor ends on the winding head of the electric machine with the conductor ends of a cross connector in pairs by a nanofoil or soldered.
  • a particularly compact solution is obtained when at the joints at least four conductor ends and at least two nanofoils arranged in a predetermined sequence one above the other and through
  • the insulating layer is removed to at least the size of the nanofoil on the individual conductors and cross connectors, which carry an insulating layer, preferably an insulating varnish, at the regions of the conductor ends to be joined together. It may be advantageous to provide the conductor ends at the regions to be connected to one another with a connection-promoting coating, preferably with a tin-plating.
  • a connecting element is a bolt, a rivet or a
  • the connecting element is preferably deformed or screwed at its free end so that so that the conductor ends are clamped before the compressive force of the plunger is taken back.
  • the connecting element is used with an applied insulating layer, preferably an insulating sheath in the pre-punched conductor of the joint in an expedient manner.
  • the invention relates in addition to the method features as well as an electrical connection made by the characterizing features of claim 1 of at least two superimposed individual conductors.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail of the front winding head of the three-phase current generator in accordance with FIG. 1 with paired conductor ends arranged in pairs and aligned parallel to one another
  • 3 shows the section of a development of the stator according to FIG. 2 with the pairwise connections of individual conductors and cross connectors arranged on the winding heads of the stator winding, in a side view;
  • FIG. 4 shows a joint of a plurality of individual conductors and cross connectors and two nanofoils in an enlarged spatial representation
  • Figure 5 shows the joint of Figure 4 in cross-section with pressure punches before pushing the connecting element through the joint
  • Figure 6a and 6b shows a joint of a single conductor and two cross-connectors in cross-section prior to insertion of the connecting element or after the ignition of the nanofoil and the Clamping of the joint by the connecting element.
  • an electrical machine is shown to the central axis in longitudinal section, which is used as an alternator 10 for the power supply of motor vehicles. It has a stator 11, the annular stator laminated core 12 is provided with axially extending, evenly distributed over the inner circumference arranged grooves that receive a three-phase stator winding 13. The stator winding 13 acts on the stator laminated core 12 and a
  • the rotor shaft 16 carries a front pulley 19, by means of which it is driven by a V-belt, not shown, of the internal combustion engine of the vehicle.
  • the rotor shaft 16 carries at the rear end two slip rings 20, by means of which an excitation coil 21 of the claw-pole rotor 15 is supplied with exciter current via carbon brushes 22.
  • a rectifier assembly 23, and a regulator 24 is also arranged.
  • the stator winding 13 consists of individual conductors 26 with a rectangular cross-section.
  • the individual conductors 26 are arranged in several layers one above the other in the grooves of the stator laminated core 12.
  • the on the front sides of the stator laminated core 12 projecting conductor ends 26a of the individual conductors 26 form there each with cross connectors 27 a winding head 28th
  • FIG 2 shows a section of the stator laminated core 12 of Figure 1 with the winding 28 of the stator winding 13 in three-dimensional view.
  • a transverse connector 27 extends in the circumferential direction of the sheet packet 12 via four spaced apart adjacent conductor ends 26a, which protrude axially on the end face of the Bleckwovenes 12.
  • the conductor ends 26a are respectively embossed on the individual conductors 26 inserted in the grooves 29 of the sheet packet 12 into a rectangular cross-section.
  • Several transverse connectors 27 and conductor ends 26a of individual conductors 26 are stacked on top of each other, wherein the transverse connectors 27 are laterally offset from one another.
  • the conductor ends 26a and the cross connector 27 are arranged flat over each other. They form joints 30, over the circumference of the
  • Winding head 28 are arranged side by side.
  • the conductor ends 26a of three individual conductors 26 per groove 29 and six transverse connectors 27 are arranged one above the other.
  • the conductor ends 26a of the individual conductors 26 form electrical connections with the conductor ends 27a of the transverse connectors 27 in pairs.
  • a nanofoil 31 is inserted between the conductor ends 26a and 27a to be connected in pairs, with which the areas of the conductor ends 26a and 27a covered by the nanofoil 31 are welded together in pairs.
  • the transverse connectors 27 are laterally offset from one another in such a way that they each electrically connect the individual conductors 26 of the phase strands R, S and T with a winding step of three slots 29 in pairs.
  • the phase strands of the three-phase stator winding 13 lie cyclically next to one another in adjacent slots 29.
  • Figure 4 shows a three-dimensional view of a joint 30a of two conductor ends 26a of individual conductors of a winding and two conductor ends 27a of cross connectors 27 and two staggered thereto, continuous cross connector 27.
  • a connector all conductor ends 26a and cross connector 27 at the joint 30 in each case a through hole 33 provided.
  • a nanofoil 31 is inserted in the direction of the arrow between the conductor ends 26a and 27a to be connected in pairs.
  • FIG. 5 shows the joint 30 from FIG. 4 with the inserted nanofoils 31 in cross-section. In a further step are now about plunger 34 the
  • the nanofoils 31 are torn open and thereby ignited. Due to the short time generated high heat energy, the contact surfaces of the conductor ends 26a and 27a are melted with the nanofoils 31 and welded together with the pressure of the plunger 34 in pairs. After welding the conductor ends 26a and 27a of the
  • screws 32b or bolts 32c can also be pushed through the holes 33 of the joints 30, thereby triggering the ignition of the nanofoils 31. If screws 32b are used, the joint 30 is braced by means of a nut 32d. If one uses a bolt 32c, the
  • Joint 30 is clamped by a press fit between the bolt 32 c and the through holes 33.
  • the paired superimposed transverse connectors 27 have different voltage potentials in later operation, they are coated in the usual way with an insulating varnish. It must also be ensured that at the joint, the connecting element 32b when piercing the joint 30 does not cause a short circuit between the cross connectors 27 and between the conductor ends 26a of the individual conductors 26.
  • the connecting elements 32 are coated with an insulating material or alternatively
  • the through holes 33 at the joint 30 can be made large enough to insert the rivet 32a or the screw 32b into the through holes 33 with a clearance or interference fit.
  • the correspondingly large through holes 33 can be provided with insulating varnish or a plastic coating.
  • a slightly modified joint 30a is shown in cross section, in which a conductor end 26a of a single conductor 26 of the stator winding 13 is electrically connected to the conductor end 27a of a cross connector 27 via a nanofoil 31 inserted therebetween.
  • a conductor end 26a of a single conductor 26 of the stator winding 13 is electrically connected to the conductor end 27a of a cross connector 27 via a nanofoil 31 inserted therebetween.
  • Transverse connector 27 performed by the joint 30a. All three conductors have an insulating varnish coating 36 around them and are flat with their rectangular cross-section. At the areas of the two upper conductor ends 26a and 27a to be joined together, the insulating lacquer coating 36 is removed to slightly more than the size of the nanofoil 31. In addition, the
  • Conductor ends 26a and 27a provided at their areas to be joined together with a connection-promoting coating, for example with a tinning 37.
  • a connection-promoting coating for example with a tinning 37.
  • the conductor ends 26a, 27a and the transverse connector 27 for clamping the nanofoil 31 according to FIG. 4a are pressed together by the pressure stamps 34.
  • the Rivet 32a which carries here an insulating sheath 38, pushed through the sufficiently large through holes 33 of the conductor ends and cross connector, wherein the nanofoil 31 is torn open and ignited. Under the pressure of the plunger 34, the conductor ends 26a and 27a are soldered together in the region of the nanofoil 31.
  • FIG. 6b shows the cross section through such a joint 30a, which is then subsequently drizzled with insulating varnish to prevent corrosion.
  • the invention is not limited to the illustrated embodiments, since they allow a variety of structural modifications. If one considers the cross connectors also as single conductors, it results in electrical connections between at least two superimposed individual conductors with a connecting element as essential to the invention that the individual conductors in the region of the connecting elements form joints where the superimposed individual conductors arranged by interposed and ignited nanofoils with each other welded or soldered. It can individual leaders not only in pairs but also in three or more individual leaders over
  • Nanofoils 31 are electrically connected to each other. Furthermore, it is also possible to use the connecting element optionally without pre-punching the individual conductors at the joint. Thus, the pin 32c of Figure 5 or a nail or pin could be driven with a so-called Bolzenschuss réelle or the like through the non-pre-punched individual conductors of the joint.
  • the individual conductors in addition to rectangular cross section as well have a square, polygonal or round cross-section. However, it is essential that the conductor ends to be joined together are optionally embossed into a rectangular cross section in order to achieve a sufficiently wide joint 30 for the nanofoil 31 and the connecting element 32.
  • the nanofoils 31 are each formed at a portion protruding between the conductor ends by a heat pulse, for example, ignited by a laser beam. Only then is the connecting element 32 inserted into the joint 30.
  • the nanofoils 31 are ignited at the joints 30 by a firing pin. This does not have to remain in the joint, but can be removed after ignition.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung von mindestens zwei übereinander liegenden Einzelleitern (26, 27) mit einem Verbindungselement (32) im Bereich einer Fügestelle (30). Zur Herstellung dauerhafter elektrischer Verbindungen mit gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit durch möglichst auf die Verbindungsfläche begrenzter kurzzeitiger Wärmeeinwirkung wird vorgeschlagen, an der Fügestelle (30a) zwischen den miteinander zu verbindenden Einzelleitern (26, 27) eine Nanofoil (31) einzusetzen, wobei die Einzelleiter (26, 27) zum Einklemmen der Nanofoil (31) von Druckstempeln (34) aufeinander gedrückt werden, dass sodann das Verbindungselement (32a) durch die Einzelleiter (26, 27) und die Nanofoil (31) gedrückt und die Nanofoil (31) gezündet wird, so dass dadurch die Einzelleiter (26, 27) miteinander verschweißt beziehungsweise verlötet werden.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrische Verbindung paarweiser Einzelleiter und Verfahren zu deren Herstellung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung von mindestens zwei Einzelleitern nach der Gattung des Anspruchs 1 sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte elektrische Verbindung nach der Gattung des Anspruchs 12 beziehungsweise Anspruch 13.
Aus der Druckschrift EP O 88 1 7 52 Al ist es bekannt, zur Herstellung der Statorwicklung eines Drehstromgenerators für Kraftfahrzeuge Einzelleiter der Statorwicklung an ihren Leiterenden durch Ultraschall-Schweißen, Lichtbogen-
Schweißen, Hartlöten oder dergleichen miteinander zu verbinden.
Aus der Druckschrift WO 02/472 39 Al ist ferner bekannt, U-förmig vorgeformte Einzelleiter der Statorwicklung elektrischer Maschinen am Wickelkopf mit entsprechend vorgeformten Querverbindern mit jeweils gleichem
Rechteckquerschnitt stirnseitig stumpf miteinander zu verschweißen.
Nachteilig bei diesen Lösungen ist die aufwändige Fügetechnik sowie der hohe Energieaufwand zur Herstellung der elektrischen Verbindungen, da dieser zu großer Wärmeentwicklung im Bereich der Verbindungsstelle und in deren
Umgebung führt. Dadurch können Schäden insbesondere der Isolation benachbarter Bereiche auftreten, die zu einer Nachbesserung oder zum Ausschuss führen. Außerdem verhindert der Platzbedarf für die Schweißvorrichtung den Aufbau eines kompakten Wickelkopfes an den elektrischen Maschinen. Mit der vorliegenden Erfindung wird die Herstellung einer dauerhaften elektrischen Verbindung paarweiser Einzelleiter mit gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit angestrebt, bei der eine kurzzeitige Wärmeentwicklung möglichst eng auf die Verbindungsfläche begrenzt wird.
Offenbarung der Erfindung
Eine dauerhafte und mechanisch feste elektrische Verbindung paarweiser Einzelleiter erzielt man gemäß der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 durch das Einfügen einer im folgenden als Nanofoil bezeichneten Folie in Kombination mit dem Einsatz eines Verbindungselements. Als Nanofoil bezeichnet man Folien, die dazu verwendet werden, eine dauerhafte Verbindung zwischen zwei Werkstücken durch Weichlöten, Hartlöten oder durch Diffusionsschweißen herzustellen. Das Funktionsprinzip der Nanofoil basiert auf einer stark exothermen Reaktion von chemikalischen Materialen, die in den Folien eingebettet sind. Hierdurch werden kurzfristig an der Oberfläche des Werkstücks beziehungsweise des Nanofoils sehr hohe Temperaturen erreicht, die zum Löten beziehungsweise Schweißen benötigt werden. Da diese Wärme aber nur über einen sehr kurzen Zeitraum anliegt, wird das Werkstück nicht übermäßig aufgeheizt. Weitere Einzelheiten über das Material, seiner Eigenschaften und seiner Anwendung zum Verbinden zweier Teile miteinander enthält die Druckschrift US 7,354,659 B2.
Die beim so genannten Zünden der Nanofoil sehr kurzzeitig auftretende extrem hohe Temperatur schmilzt die miteinander zu verbindenden Einzelleiter im Bereich der Nanofoil an, so dass sie aufeinander gedrückt paarweise fest miteinander verschweißen beziehungsweise bei einem dort aufgetragenen Lötmaterial miteinander verlöten. Dies hat den Vorteil, dass beim Schweißvorgang Schäden an der Isolation der Leiter im näheren Bereich der
Schweißstelle aufgrund der geringeren Erwärmung nicht mehr auftreten können. Dies wiederum ermöglicht insbesondere bei elektrischen Maschinen eine kompakte Anordnung einer Vielzahl von Fügestellen mit elektrischen Verbindungen paarweiser Einzelleiter. Außerdem erzielt man mit dem Verbindungselement an den Fügestellen zusätzlich eine hohe mechanische Festigkeit der elektrischen Verbindungen, so dass sie auch im Einsatz hohen mechanischen Beanspruchungen standhalten. Diese Kombination der elektrischen und mechanischen Verbindung von Leiterpaaren eignet sich besonders in der Anwendung an elektrischen Maschinen, die Stoß-, Schüttel- und/oder Schwingungsbeanspruchungen ausgesetzt sind.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. So ist es insbesondere bei elektrischen Verbindungen, die mit hohen Stromstärken belastet werden, zweckmäßig, die Einzelleiter an ihren paarweise miteinander elektrisch zu verbindenden Leiterenden mit rechteckförmigem Querschnitt flach aufeinander zu legen und die Nanofoil dazwischen einzufügen. In besonders erfinderischer Weise können dabei die Einzelleiter als Teil einer Wicklung einer elektrischen Maschine in dessen Bleckpaket eingesetzt und die an einer Stirnseite des Bleckpaketes vorstehenden Leiterenden am Wickelkopf der elektrischen Maschine mit den Leiterenden eines Querverbinders paarweise durch ein Nanofoil verschweißt beziehungsweise verlötet werden. Eine besonders kompakte Lösung ergibt sich, wenn an den Fügestellen mindestens vier Leiterenden und mindestens zwei Nanofoils in vorgegebener Folge übereinander angeordnet und durch
Druckstempel aufeinander gedrückt werden. Danach wird das Verbindungselement durch die Fügestellen der Leiterenden gedrückt und die Nanofoils werden gezündet, so dass dadurch die Leiterenden paarweise miteinander verschweißt oder verlötet werden. Am Wickelkopf von elektrischen Maschinen lassen sich dadurch in vorteilhaft kompakter Weise mehrere
Querverbinder zueinander seitlich versetzt aufeinander legen, so dass dadurch für ihre Verbindung mit den Einzelleitern der Wicklung über den Umfang des Wickelkopfes nebeneinander angeordnete Fügestellen gebildet werden. In einfachster Weise werden dabei an den Einzelleitern und Querverbindern, die eine Isolierschicht, vorzugsweise einen Isolierlack tragen, an den miteinander zu verbindenden Bereichen der Leiterenden die Isolierschicht auf mindestens der Größe des Nanofoils entfernt. Dabei ist es gegebenenfalls vorteilhaft, die Leiterenden an den miteinander zu verbindenden Bereichen mit einer verbindungsfördernden Beschichtung, vorzugsweise mit einer Verzinnung zu versehen. Zur Herstellung der elektrischen Verbindung paarweiser Einzelleiter wird in Weiterbildung der Erfindung die Nanofoil mit dem Durchdrücken des Verbindungselementes durch die Fügestelle gezündet. In einfachster und zweckmäßiger Weise wird als Verbindungselement ein Bolzen, ein Niet oder eine
Schraube verwendet und nach dem paarweisen Verschweißen beziehungsweise Verlöten der Leiterenden wird das Verbindungselement vorzugsweise an seinem freien Ende so verformt beziehungsweise verschraubt, dass damit die Leiterenden festgespannt werden, bevor die Druckkraft der Druckstempel zurück genommen wird. Um bei der Herstellung von Fügestellen mit mehreren paarweise elektrisch miteinander zu verbinden Leiterenden die Verbindungspaare gegeneinander zu isolieren, wird in zweckmäßiger Weise das Verbindungselement mit einer aufgebrachten Isolierschicht, vorzugsweise einer Isolierhülle in die vorgelochten Leiter der Fügestelle eingesetzt. Die Erfindung betrifft neben den Verfahrensmerkmalen ebenso eine nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hergestellte elektrische Verbindung von mindestens zwei übereinander liegenden Einzelleitern.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Verbindung paarweiser Leiterenden über Nanofoils ergibt sich bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei Drehstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 13.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden beispielsweise anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit einer Statorwicklung aus paarweise übereinander liegenden Einzelleitern,
Figur 2 einen vergrößerten raumbildlichen Ausschnitt des vorderen Wickelkopfes des Drehstromgenerators gemäß Figur 1 mit paarweise übereinander angeordneten und zueinander parallel ausgerichteten Leiterenden, Figur 3 den Abschnitt einer Abwicklung des Stators nach Figur 2 mit den an den Wickelköpfen der Statorwicklung angeordneten paarweisen Verbindungen von Einzelleitern und Querverbindern in einer Seitenansicht,
Figur 4 zeigt eine Fügestelle aus mehreren Einzelleitern und Querverbindern und zwei Nanofoils in vergrößerter raumbildlicher Darstellung,
Figur 5 zeigt die Fügestelle aus Figur 4 im Querschnitt mit Druckstempeln vor dem Durchdrücken des Verbindungselementes durch die Fügestelle, Figur 6a und 6b zeigt eine Fügestelle aus einem Einzelleiter und zwei Querverbindern im Querschnitt vor dem Einfügen des Verbindungselementes bzw. nach dem Zünden der Nanofoil und dem Festspannen der Fügestelle durch das Verbindungselement.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine elektrische Maschine bis zur Mittelachse im Längsschnitt abgebildet, die als Drehstromgenerator 10 für die Stromversorgung von Kraftfahrzeugen verwendet wird. Sie hat einen Stator 11, dessen ringförmiges Stator- Blechpaket 12 mit axial verlaufenden, über den Innenumfang gleichmäßig verteilt angeordneten Nuten versehen ist, die eine Drehstrom-Statorwicklung 13 aufnehmen. Die Statorwicklung 13 wirkt über das Stator- Blechpaket 12 und einen
Arbeitsluftspalt 14 mit einem Klauenpolläufer 15 zusammen, dessen Läuferwelle 16 in zwei Lagerschilden 17, 18 gelagert ist, welche zugleich das Gehäuse des Drehstromgenerators 10 bilden. Die Läuferwelle 16 trägt vorne eine Riemenscheibe 19, mittels der sie über einen nicht dargestellten Keilriemen von der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs angetrieben wird. Die Läuferwelle 16 trägt am hinteren Ende zwei Schleifringe 20, mittels der eine Erregerspule 21 des Klauenpolläufers 15 über Kohlebürsten 22 mit Erregerstrom versorgt wird. Am hinteren Lagerschild 18 ist ferner eine Gleichrichter-Baueinheit 23, sowie ein Regler 24 angeordnet. Eingangsseitig ist die Gleichrichter-Baueinheit 23 mit der Statorwicklung 13 und ausgangsseitig mit einem Anschluss 25 für das
Pluspotential eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes versehen. Über den Regler 24 wird in Abhängigkeit von der Spannung des Bordnetzes die Stärke des Erregerstromes in der Erregerspule 21 geregelt. Die Statorwicklung 13 besteht aus Einzelleitern 26 mit rechteckförmigem Querschnitt. Die Einzelleiter 26 sind in mehreren Lagen übereinander in den Nuten des Stator- Blechpaketes 12 angeordnet. Die an den Stirnseiten des Stator- Blechpaketes 12 vorstehenden Leiterenden 26a der Einzelleiter 26 bilden dort jeweils mit Querverbindern 27 einen Wickelkopf 28.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt des Stator- Blechpaketes 12 aus Figur 1 mit dem Wickelkopf 28 der Statorwicklung 13 in raumbildlicher Darstellung. Dort ist erkennbar, dass jeweils ein Querverbinder 27 in Umfangsrichtung des Bleckpaketes 12 über vier mit Abstand nebeneinander liegende Leiterenden 26a verläuft, die an der Stirnseite des Bleckpaketes 12 axial vorstehen. Die Leiterenden 26a sind jeweils an den in den Nuten 29 des Bleckpaketes 12 eingesetzten Einzelleitern 26 zu einem rechteckförmigen Querschnitt geprägt. Mehrere Querverbinder 27 und Leiterenden 26a von Einzelleitern 26 sind übereinander geschichtet, wobei die Querverbinder 27 zueinander seitlich versetzt sind. Dabei werden die Leiterenden 26a der um jeweils drei Nuten zueinander versetzten Einzelleiter 26 paarweise über einen Querverbinder 27 mit annähernd gleichem Rechteck-Querschnitt elektrisch verbunden. Die Leiterenden 26a und die Querverbinder 27 sind dabei flach übereinander angeordnet. Sie bilden dabei Fügestellen 30, die über den Umfang des
Wickelkopfes 28 nebeneinander angeordnet sind. An jeder dieser Fügestellen 30 sind die Leiterenden 26a von drei Einzelleitern 26 je Nut 29 und sechs Querverbinder 27 übereinander angeordnet. Die Leiterenden 26a der Einzelleiter 26 bilden mit den Leiterenden 27a der Querverbinder 27 jeweils paarweise elektrische Verbindungen. An den Fügestellen 30 ist zwischen den paarweise miteinander zu verbindenden Leiterenden 26a und 27a eine Nanofoil 31 eingesetzt, mit der die von der Nanofoil 31 überdeckten Bereiche der Leiterenden 26a und 27a paarweise miteinander verschweißt sind.
Außerdem sind im Bereich der Fügestellen 30 die Leiterenden 26a und 27a der
Einzelleiter 26 und Querverbinder 27 vorgelocht. Dort sind jeweils Verbindungselemente 32 in Form von Nieten 32a eingesetzt, mit denen die elektrischen Verbindungen durch die Nanofoils 31 an den Fügestellen 30 übereinander liegend festgespannt werden. In Figur 3 ist der Ausschnitt des Stator- Blechpaketes 12 mit dem Wickelkopf 28 nochmals abgewickelt in der Vorderansicht vergrößert dargestellt. Dort ist erkennbar, dass an jeder Fügestelle 30 in gleicher Reihenfolge die sechs Querverbinder 27 und drei Leiterenden 26a der Statorwicklung 13 übereinander liegend angeordnet sind. Dabei sind die Querverbinder 27 zueinander derart seitlich versetzt, dass sie jeweils die Einzelleiter 26 der Phasenstränge R, S und T mit einem Wickelschritt von drei Nuten 29 paarweise miteinander elektrisch verbinden. Die Phasenstränge der Drehstrom-Statorwicklung 13 liegen dabei zyklisch nebeneinander in benachbarten Nuten 29.
Figur 4 zeigt in raumbildlicher Darstellung eine Fügestelle 30a aus zwei Leiterenden 26a von Einzelleitern einer Wicklung und zwei Leiterenden 27a von Querverbindern 27 sowie zwei dazu versetzte, durchlaufende Querverbinder 27. Zum Einsetzen eines Verbindungselements sind alle Leiterenden 26a und Querverbinder 27 an der Fügestelle 30 jeweils mit einem Durchgangsloch 33 versehen. Zwischen den paarweise miteinander zu verbindenden Leiterenden 26a und 27a wird jeweils eine Nanofoil 31 in Pfeilrichtung eingefügt.
Figur 5 zeigt die Fügestelle 30 aus Figur 4 mit den eingefügten Nanofoils 31 im Querschnitt. In weiterem Schritt werden nun über Druckstempel 34 die
Leiterenden 26a, 27a und Querverbinder 27 mitsamt den Nanofoils 31 übereinander geschichtet in Richtung der Druckpfeile 35 von oben und unten zusammengedrückt. Dabei wird der zentrale Bereich an den Durchgangslöchern 33 von den Druckstempeln 34 ausgespart. Danach wird ein Niet 32a von oben in Pfeilrichtung durch die untereinander liegenden Durchgangslöcher 33 der
Fügestelle 30 gestoßen. Dabei werden die Nanofoils 31 aufgerissen und dadurch gezündet. Aufgrund der dabei kurzzeitig erzeugten hohen Wärmeenergie werden die Berührungsflächen der Leiterenden 26a und 27a mit den Nanofoils 31 angeschmolzen und mit dem Druck der Druckstempel 34 paarweise miteinander verschweißt. Nach dem Verschweißen der Leiterenden 26a und 27a wird der
Niet 32a an seinem unteren, an der Unterseite der Verbindungsstelle 30 vorstehenden freien Ende so verformt, dass damit die Leiterenden 26a, 27a sowie die durchlaufenden Querverbinder 27 festgespannt werden. Erst danach wird die Kraft der Druckstempel 34 auf die Fügestelle 30 zurück genommen und die Druckstempel 34 werden zur benachbarten Fügestelle bewegt, so dass sich dort der zuvor beschriebene Ablauf wiederholt. Anstelle von Nieten 32a können auch Schrauben 32b oder Bolzen 32c durch die Löcher 33 der Fügestellen 30 gestoßen werden und dabei die Zündung der Nanofoils 31 auslösen. Sofern Schrauben 32b verwendet werden, wird die Fügestelle 30 mit Hilfe einer Mutter 32d verspannt. Verwendet man einen Bolzen 32c, wird zweckmäßigerweise die
Fügestelle 30 über eine Presspassung zwischen dem Bolzen 32c und den Durchgangslöchern 33 festgespannt.
Da die paarweise aufeinander liegenden Querverbinder 27 im späteren Betrieb verschiedene Spannungspotentiale haben, werden sie in üblicher Weise mit einem Isolierlack überzogen. Dabei muss ferner sichergestellt werden, dass an der Fügestelle das Verbindungselement 32b beim Durchstoßen der Fügestelle 30 keinen Kurzschluss zwischen den Querverbindern 27 und zwischen den Leiterenden 26a der Einzelleiter 26 verursacht. Dazu werden die Verbindungselemente 32 mit einem Isolierstoff beschichtet oder alternativ aus
Kunststoff hergestellt. Außerdem können die Durchgangslöcher 33 an der Fügestelle 30 so groß gewählt werden, dass der Niet 32a oder die Schraube 32b mit einer Spiel- oder Übergangspassung in die Durchgangslöcher 33 eingesetzt wird. Alternativ können auch die entsprechend großen Durchgangslöcher 33 mit Isolierlack oder einer Kunststoffbeschichtung versehen werden.
In Figur 6a ist eine leicht abgeänderte Fügestelle 30a im Querschnitt dargestellt, bei der ein Leiterende 26a eines Einzelleiters 26 der Statorwicklung 13 mit dem Leiterende 27a eines Querverbinders 27 über eine dazwischen eingesetzte Nanofoil 31 miteinander elektrisch verbunden wird. Darunter ist ein weiterer
Querverbinder 27 durch die Fügestelle 30a durchgeführt. Alle drei Leiter haben ringsum eine Isolierlack-Beschichtung 36 und liegen mit ihrem rechteckförmigen Querschnitt flach aufeinander. An den miteinander zu verbindenden Bereichen der beiden oberen Leiterenden 26a und 27a wird die Isolierlack-Beschichtung 36 auf etwas mehr als die Größe der Nanofoil 31 entfernt. Zusätzlich werden die
Leiterenden 26a und 27a an ihren miteinander zu verbindenden Bereichen mit einer verbindungsfördernden Beschichtung, zum Beispiel mit einer Verzinnung 37 versehen. Nach dem Einfügen der Nanofoil 31 werden die Leiterenden 26a, 27a und der Querverbinder 27 zum Einklemmen der Nanofoil 31 gemäß Figur 4a durch die Druckstempel 34 aufeinandergedrückt. Des Weiteren wird dann der Niet 32a, der hier eine Isolierhülle 38 trägt, durch die ausreichend großen Durchgangslöcher 33 der Leiterenden und Querverbinder gedrückt, wobei die Nanofoil 31 aufgerissen und gezündet wird. Unter dem Druck der Druckstempel 34 werden dabei die Leiterenden 26a und 27a im Bereich der Nanofoil 31 miteinander verlötet. Danach wird das untere Ende des Nietes 32a soweit verformt, dass alle Leiter der Verbindungsstelle 30a miteinander fest eingespannt sind. Anschließend wird der Druck an der Fügestelle 30a zurückgenommen und die Druckstempel 34 werden entfernt. Die Figur 6b zeigt den Querschnitt durch eine solche Fügestelle 30a, die zum Korrosionsschutz anschließend noch mit Isolierlack beträufelt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, da diese vielfältige konstruktive Abänderungen ermöglichen. Betrachtet man dabei die Querverbinder ebenfalls als Einzelleiter, so ergibt sich bei elektrischen Verbindungen zwischen mindestens zwei übereinander liegenden Einzelleitern mit einem Verbindungselement als erfindungswesentlich, dass die Einzelleiter im Bereich der Verbindungselemente Fügestellen bilden, an denen die übereinander liegenden Einzelleiter durch dazwischen angeordnete und gezündete Nanofoils miteinander verschweißt oder verlötet werden. Dabei können Einzelleiter nicht nur paarweise sondern auch zu dritt oder zu noch mehreren Einzelleitern über
Nanofoils 31 miteinander elektrisch verbunden werden. Ferner ist es auch möglich, das Verbindungselement gegebenenfalls ohne das Vorlochen der Einzelleiter an der Fügestelle einzusetzen. So könnte der Bolzen 32c aus Figur 5 oder ein Nagel oder Stift mit einem so genannten Bolzenschussgerät oder dergleichen durch die nicht vorgelochten Einzelleiter der Fügestelle getrieben werden. Bei der Anwendung elektrischer Verbindungen durch Nanofoils bei elektrischen Maschinen können die Einzelleiter neben rechteckförmigen Querschnitt ebenso gut einen quadratischen, mehreckigen oder runden Querschnitt aufweisen. Wesentlich dabei ist jedoch, dass die miteinander zu verbindenden Leiterenden gegebenenfalls zu einem Rechteck-Querschnitt geprägt werden, um eine ausreichend breite Fügestelle 30 für die Nanofoil 31 und das Verbindungselement 32 zu erzielen. Ferner ist es möglich, die Nanofoils 31 unabhängig von dem Einsetzen des Verbindungselements 32 zu zünden. Für diesen Fall werden die Nanofoils 31 an den Fügestellen 30 jeweils an einem zwischen den Leiterenden vorstehenden Abschnitt durch einen Wärmeimpuls, zum Beispiel durch einen Laserstrahl gezündet. Erst danach wird das Verbindungselement 32 in die Fügestelle 30 eingesetzt. Alternativ dazu ist es möglich, dass die Nanofoils 31 an den Fügestellen 30 durch einen Zündzapfen gezündet werden. Dieser muss danach nicht in der Fügestelle verbleiben, sondern kann nach dem Zünden wieder entfernt werden. Außerdem ist es möglich, die Zündung der Nanofoils 31 an den Fügestellen 30 mit elektrischem Strom oder mechanischer Energie, zum Beispiel durch einen Druckimpuls zu zünden. Die vorgeschlagene Kombination aus einer Klemmverbindung durch ein Verbindungselement und elektrischer Kontaktierung durch Nanofoil-Technik kann überall dort eingesetzt werden, wo elektrische Verbindungen mit gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit hergestellt werden müssen. So kann diese Technik auch an Transformatoren und anderen elektrischen Einrichtungen oder Geräten realisiert werden, sofern dort Einzelleiter zumindest paarweise miteinander elektrisch und mechanisch zu verbinden sind. Besondere Vorteile erzielt man bei der Anwendung dieser Technik in elektrischen Maschinen, insbesondere bei Drehstromgeneratoren zum Stromversorgung von Kraftfahrzeugen, bei denen eine hohe Leistungsdichte durch den Aufbau der Statorwicklung aus Einzelleitern zu erzielen ist, wobei die Einzelleiter zur Realisierung eines hohen Nutfüllfaktors in ihrem Querschnitt dem Nutquerschnitt des Stator- Blechpaketes angepasst ist. Dort wird mit kompakten Wickelköpfen
Kupfer im Wickelkopf eingespart, Bauraum reduziert, die Stromausbeute erhöht und damit der Wirkungsgrad der Maschine verbessert. Alternativ zu der Ausführung nach Figur 1, bei der haarnadelförmig gebogene Einzelleiter nur am vorderen Wickelkopf 28 über die Querverbinder 27 paarweise miteinander verbunden werden, ist es ebenso möglich, solche Querverbinder auch am hinteren Wickelkopf einzusetzen.
Nach der Herstellung der elektrischen und mechanischen Verbindungen an den Fügestellen werden diese zum Korrosionsschutz mit Isolierlack beträufelt oder die Wickelköpfe werden vollständig in ein Isolierlackbad eingetaucht.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung von mindestens zwei übereinander liegenden Einzelleitern (26, 27), insbesondere deren Leiterenden (26a, 27a), mit einem Verbindungselement (32), welches die vorzugsweise vorgelochten Einzelleiter im Bereich einer Fügestelle (30) der elektrischen
Verbindung durchdringt, dadurch gekennzeichnet, dass an der Fügestelle (30) zwischen den miteinander zu verbindenden Einzelleitern (26, 27) eine Nanofoil (31) eingesetzt wird, dass danach die Einzelleiter (26, 27) an der Fügestelle (30) zum Einklemmen der Nanofoil (31) aufeinander gedrückt werden, dass sodann das Verbindungselement (32) durch die Einzelleiter (26, 27) und die Nanofoil (31) gedrückt und die Nanofoil (31) gezündet wird, so dass dadurch die Einzelleiter (26, 27) über die Fläche der Nanofoil (31) miteinander verschweißt beziehungsweise verlötet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofoil (31) zwischen paarweise miteinander elektrisch zu verbindenden Leiterenden (26a, 27a) eingesetzt wird, wobei die Leiterenden (26a, 27a) mit rechteckförmigem Querschnitt flach aufeinander gelegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Teil einer
Wicklung, insbesondere Statorwicklung (13), einer elektrischen Maschine in dessen Bleckpaket (12) eingesetzten Einzelleiter (26) an ihren an einer Stirnseite des Bleckpaketes (12) vorstehenden Leiterenden (26a) am Wickelkopf (28) der elektrischen Maschine (10) mit den Leiterenden (27a) von als Querverbinder (27) ausgebildeten Einzelleitern paarweise durch ein Nanofoil (31) miteinander verschweißt beziehungsweise verlötet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Fügestellen (30) mindestens vier Leiterenden (26a, 27a) und mindestens zwei Nanofoils (31) in vorgegebener Folge übereinander angeordnet und durch Druckstempel (34) aufeinander gedrückt werden, dass sodann das Verbindungselement (32) durch die Fügestelle (30) der Leiterenden (26a, 27a) gedrückt wird und die Nanofoils (31) gezündet werden, so dass die Leiterenden (26a, 27a) dadurch paarweise miteinander verschweißt beziehungsweise verlötet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Wickelkopf (28) mehrere Querverbinder (27) zueinander seitlich versetzt paarweise aufeinander gelegt werden und dass dadurch für ihre elektrische Verbindung mit den Einzelleitern (26) der Wicklung (13) über den Umfang des Wickelkopfes (28) verteilte, neben einander angeordnete Fügestellen (30) gebildet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelleiter (26) der Wicklung (13) und die Querverbinder (27) eine Isolierschicht, vorzugsweise eine Isolierlack-Beschichtung (36) tragen, die an den miteinander zu verbindenden Bereichen der Leiterenden (26a, 27a) auf mindestens der Größe der Nanofoil (31) entfernt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterenden (26a, 27a) an den miteinander zu verbindenden Bereichen mit einer verbindungsfördernden Beschichtung, vorzugsweise mit einer Verzinnung (37) versehen werden.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofoils (31) mit dem Durchdrücken des Verbindungselementes (32) durch die Fügestelle (30) gezündet werden.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungselement (32) ein Bolzen (32c), ein Niet (32a), eine Schraube (32b) oder dergleichen verwendet wird und dass nach dem paarweisen
Verschweißen beziehungsweise Verlöten der Leiterenden (26a, 27a) das Verbindungselement (32), vorzugsweise an seinem freien Ende, so verformt beziehungsweise verschraubt wird, dass damit die Leiterenden (26a, 27a) festgespannt werden, bevor die Druckkraft der Druckstempel (34) zurück genommen wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (32) mit einer aufgebrachten Isolierschicht, insbesondere einer Isolierhülle (38) in die vorgelochten Leiterenden (26a, 27a) der Fügestelle (30, 30a) eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungselement (32) aus Kunststoff in die vorgelochten Leiterenden (26a, 27a) der Fügestelle (30) eingesetzt wird.
12. Elektrische Verbindung von mindestens zwei übereinander liegenden Einzelleitern (26, 27), insbesondere deren Leiterenden (26a, 27a), mit einem Verbindungselement (32), welches die vorzugsweise vorgelochten Einzelleiter im Bereich einer Fügestelle (30) der elektrischen Verbindung durchdringt, dadurch gekennzeichnet, dass an den Fügestellen (30) die übereinander liegenden
Einzelleiter (26, 27) durch dazwischen angeordnete und gezündete Nanofoils (31) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 paarweise miteinander verschweißt beziehungsweise verlötet sind.
13. Elektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge, mit einer Statorwicklung (13) aus Einzelleitern (26), dadurch gekennzeichnet, dass deren Leiterenden (26a) am Wickelkopf (28) des Stators (11) mit den Leiterenden (27a) von Querverbindern (27) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 paarweise miteinander elektrisch verbunden und mechanisch festgespannt sind.
14. Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterenden (26a) der Einzelleiter (26) paarweise über Querverbinder (27) elektrisch verbunden sind, die im Wickelkopf (28) in Radialrichtung flach übereinander angeordnet und zueinander in Umfangsrichtung versetzt sind.
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