WO2013091945A1 - Verfahren zum stoffschlüssigen verbinden von wenigstens drei bauteilen sowie anker für eine elektromaschine mit entsprechend verbundenen bauteilen - Google Patents

Verfahren zum stoffschlüssigen verbinden von wenigstens drei bauteilen sowie anker für eine elektromaschine mit entsprechend verbundenen bauteilen Download PDF

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WO2013091945A1
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Jens Winkler
Birgit DIEDRICH
Alexander Kudlek
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Robert Bosch Gmbh
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    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B23K2101/38—Conductors

Definitions

  • the present invention relates to a method for joining at least three components such as winding elements of a top layer, a base and a commutator blade of an armature for an electric machine.
  • the invention further relates to a correspondingly formed armature for an electric machine.
  • a diffusion soldering process is often used for connecting winding elements of an armature to a commutator of the armature.
  • initially stripped winding element ends are wetted in a dipping bath with a flux and then tin-plated in a soft solder.
  • the joining process itself is usually done by contacting the commutator and one or both layers of the winding elements by means of contact electrodes and applying a current.
  • the components to be joined consist in this case, for example, of copper or copper alloys.
  • the soft solder melts due to the heating caused by the flowing current of the components. Due to diffusion processes, tin Copper mixed crystals in a joining zone, which desirably have a higher mechanical and / or thermal resistance than the solder itself.
  • Wickelelementenden with flux and the subsequent tinning are generally not value-added processes and are significant
  • alternative methods are proposed for integrally joining at least three components.
  • the proposed method allows a simplified process management or a reduced effort for the system technology.
  • the process of diffusion soldering can be replaced by a somewhat simpler process.
  • the method proposed here for materially joining at least three components initially comprises arranging the components in a stack in which a middle component is interposed between a first outer component and a second outer component. Subsequently, an electric current is effected so that the current flows from one of the outer members through the middle member toward the other outer member.
  • the middle component is formed in a welding region, through which the effected electrical current flows, both at its surface directed towards the first outer component and at its surface directed towards the second outer component with a so-called shape deviation, wherein the first-order shape deviation, second order and / or third order with respect to a smooth surface.
  • an armature of an electric machine used to replace the diffusion soldering process by a resistance welding process For example, an armature of an electric machine used to replace the diffusion soldering process by a resistance welding process. In such a resistance welding process, the material becomes
  • the strength of the electrical current generated is preferably adjusted such that the components locally melt in regions in which the middle component in the welding region with its shape-deviating surfaces adjoins adjacent surfaces of the first and the second outer component.
  • the direction of the current here is largely irrelevant, ie it can be a direct current from the first outer component through the middle component toward the second outer component or vice versa or an alternating current can be effected.
  • a surface structure of the central component and an electric current conducted through the stack of components may be selected such that only the tips of the surface structure due to there
  • Surface structure can be microscopic in the form of, for example, roughness peaks as well as macroscopic in the form of corrugations,
  • Threading, humping etc. be pronounced.
  • design deviations of technical surfaces according to the German industrial standard DIN 4760 can be understood as being subdivided into six different degrees. Shape deviations of first to fourth order can overlap and thus the real one
  • Shape deviation of first order can be understood as a shape deviation with respect to a desired shape.
  • a second order shape deviation can be understood to mean a ripple.
  • a third order shape deviation may be understood to mean roughness in the form of grooves.
  • Shape deviations of the fourth, fifth and sixth order relate to a roughness in the form of grooves, scales, crests, a roughness of the microstructure or a lattice structure of the material.
  • the shape deviation on the surfaces of the middle component is a second-order shape deviation in the form of a waviness having feature sizes in the range of 50 ⁇ m to 5 mm, preferably of 50 ⁇ m to 1 mm.
  • Such macroscopic deviations in shape may result in that both the contact surfaces, in which the central component bears against one of the adjacent outer components, and the lateral distances between such contact surfaces are approximately of the order of magnitude
  • Structure sizes are. Both the size of the contact surfaces and the Spacing between adjacent contact surfaces has an influence on the electrical current density in the area of the contact surface during application of the contact surface
  • Forming processes such as rolling, knurling, pressing, etc.
  • original forming processes such as casting, by machining
  • Methods such as turning, tapping, etc., or by radiative methods, such as shot blasting, sandblasting,
  • Laser structuring, etc. be formed. Such manufacturing methods enable a simple and cost-effective macroscopic structuring of the surface of the middle component.
  • the shape deviation provided in the welding region of the middle component is a third-order shape deviation in the form of a roughness having feature sizes in the range from 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the property of "waviness” or “roughness” of the shape deviations on the welding surface of the central component is intended to imply primarily a measure of the prevailing feature sizes, but not necessarily include an indication of particular forms of shape deviation.
  • the shape deviations may have a sharp-edged, jagged structure or a rounded soft structure.
  • the shape deviations can be distributed substantially homogeneously over the welding surface.
  • the shape deviations at the welding region of the middle component can also be indicated in the form of a so-called center roughness Ra.
  • a roughness average describes the roughness of a technical surface, for example, by machining method, original method or
  • Mean roughness values are assigned, which can be, for example, in the range of significantly more than 50 ⁇ .
  • essentially smooth can be interpreted here to mean that the remaining shape deviations are fourth or higher order. In other words, a central roughness of the substantially smooth
  • Surfaces of the outer components may be less than 10 ⁇ .
  • At least one of the components to be connected may consist of copper.
  • Tin solder is a high-melting copper with a melting point
  • At least one of the components to be joined, but preferably all the components to be connected may be made of aluminum.
  • the outer component is a top layer of an armature of an electric machine
  • the middle component a
  • first and the second outer component are each flanks of a crimp, which surround the central component with its at least partially structured surface.
  • the crimp can thus be materially connected with its two substantially smooth flanks in a simple manner by the described resistance welding process with the enclosed central component.
  • an armature for an electric machine in which a base is interposed between an upper layer and a commutator plate and the three components are materially bonded within a welding region.
  • the upper layer, the base and the commutator are in this case within the welding area only in partial regions which correspond in their structure size of a shape deviation of the first, second and / or third order with respect to a smooth surface, materially connected to each other.
  • a material connection between the top layer, the base and the commutator lamella can not be over the entire surface, but can be limited locally to small partial regions within the welding region.
  • the material in connection areas is during the
  • connection areas in which the pad is materially connected to the top layer or the commutator consist of the material at least one of the pad, the top layer and the commutator.
  • low-melting material for example in the form of a solder, need not be present at the connection areas.
  • This type of cohesive connection of the anchor components may result from the nature of the manufacturing process. It can thus a simplified manufacturability of the proposed anchor at the same time sufficient mechanically fixed and electrically conductive connection of the anchor components can be achieved.
  • Figure 1 shows a perspective view of an anchor for a
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of a portion of the
  • FIG. 3 shows a longitudinal sectional view of a partial region of an armature in FIG.
  • Figure 1 shows an armature 1, which may be part of an electric machine such as a starter for an internal combustion engine.
  • the armature 1 has an armature or rotor shaft 2, an armature or disk set 3, which is fixed to the Anchor shaft 2 is connected and distributed over the circumference has a plurality of winding elements 4, and a commutator 5, which is adjacent to an end face of the armature shaft 2, on.
  • Winding elements 4 are firmly connected to each other and to the commutator 5.
  • FIG. 2 shows a cross section through an armature in the region of the commutator 5 with superimposed on the outer surface of the commutator 5
  • the winding element end 9 belong to a top layer of the armature and be understood as a first external component.
  • the winding element end 8 can to a
  • the commutator blade 6 can be understood as a second outer component. In other words, lie on the surface or outside of the
  • the commutator bars 6 are insulated from adjacent lamellae of the commutator 5 via insulating webs 7.
  • FIG. 3 shows a sectional view through the commutator lamella 6 with winding element ends 8, 9 stacked above it.
  • the winding element end 8 serving as the middle component has deviations in form 12 in the form of a waviness or roughness with outwardly projecting in a welding region 11
  • the shape deviations 12 are provided on both surfaces of the winding element 8, d. H. on a directed to the overlying winding element 9 surface and on a facing the underlying commutator 6 surface. In the example shown, the shape deviations 12 are realized as circumferential around the winding element end thread.
  • the structure size of the shape deviations 12 can be between one-tenth millimeter and several millimeters, wherein the indicated sizes can relate both to a radial distance between the outermost regions and the innermost regions of a surface and to the lateral distance between adjacent ones , the furthest
  • an electrical voltage is applied to the outer winding element 9 as well as to the outer side of the commutator plate 6.
  • an electric current of, for example, 10 kiloamperes then flows from the outer winding element end 9 via the interposed therebetween
  • Shape deviations 12 adjacent to the smooth surfaces of the winding element end 9 and the commutator 6, a current passed through the stack of components 9, 8, 6 stream 13, 14 at the interface between the components 9, 8, 6 locally concentrate on these subregions , Due to the locally increased current density, there is thus an increased generation of heat at the contact points. This effect is further supported by the fact that at the contact points increased contact resistance can occur.
  • the increased heat development can be used to the tips of the 10
  • Shape deviations 12 and the adjacent areas on the surface of the outer winding element end 9 or the commutator 6 temporarily melt locally. During the subsequent cooling and solidification of the melt, the desired cohesive connection occurs.
  • connection method proposed here it is possible to dispense with a conventionally necessary tin-plating process and nevertheless, if appropriate, to continue to use the resistance welding machines conventionally used for diffusion soldering for the method presented herein.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Stoffschlüssigen Verbinden wenigstens dreier Bauteile (6,8,9) wie beispielsweise einer Oberlage (9), einer Unterlage (8) und einer Kommutatorlamelle (6) eines Ankers (1) für eine Elektromaschine beschrieben. Die drei Bauteile (9, 8, 6) werden in einem Stapel angeordnet und ein elektrischer Strom von dem einen äusseren Bauteil (6, 9) durch das mittlere Bauteil (8) hin zu dem anderen äusseren Bauteil (9, 6) bewirkt. Das mittlere Bauteil (8) ist dabei in einem Schweissbereich (11), durch den der bewirkte elektrische Strom (13, 14) fliesst, sowohl an seiner zu dem einen äusseren Bauteil (9) gerichteten Oberfläche als auch an seiner zu dem anderen äusseren Bauteil (6) gerichteten Oberfläche mit Gestaltabweichungen (12) in Form von beispielsweise Welligkeiten oder Rauheiten versehen. Aufgrund der nicht - glatten, texturierten Oberflächen des mittleren Bauteils (8) kommt es beim Durchleiten eines elektrischen Stroms (13, 14) zu lokalen Stromkonzentrationen und Erhöhungen der Stromdichte und somit zu lokal konzentrierten Wärmeentwicklungen. Auf diese Weise können mit verhältnismäßig geringen Strömen (13, 14) Teilregionen an den Grenzflächen zwischen den Bauelementen (9, 8, 6) analog wie beim Widerstandsschweißen aufgeschmolzen werden und beim anschließenden Erstarren eine Stoffschlüssige Verbindung zwischen den drei Bauteilen (6,8,9) bewirken.

Description

Beschreibung
Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von wenigstens drei Bauteilen sowie Anker für eine Elektromaschine mit entsprechend verbundenen Bauteilen
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens drei Bauteilen wie beispielsweise Wickelelementen einer Oberlage, einer Unterlage und eine Kommutatorlamelle eines Ankers für eine Elektromaschine. Die Erfindung betrifft ferner einen entsprechend ausgebildeten Anker für eine Elektromaschine.
Stand der Technik
In der elektrischen Verbindungstechnik, beispielsweise beim Fertigen von Ankern für elektrische Maschinen, werden häufig in einem Bearbeitungsschritt mehrere Bauteile thermisch gefügt, um diese mechanisch und/oder elektrisch miteinander zu verbinden.
Beispielsweise wird für ein Verbinden von Wickelelementen eines Ankers mit einem Kommutator des Ankers häufig ein Diffusionslötprozess eingesetzt. Zur Vorbereitung des Prozesses werden zunächst abisolierte Wickelelementenden in einem Tauchbad mit einem Flussmittel benetzt und dann in einem Weichlot verzinnt. Der Fügeprozess selbst erfolgt in der Regel unter Kontaktierung des Kommutators und einer oder beider Lagen der Wickelelemente mit Hilfe von Kontaktelektroden und unter Anlegen eines Stromes. Die zu fügenden Bauteile bestehen in diesem Fall beispielsweise aus Kupfer oder Kupferlegierungen. Das Weichlot schmilzt aufgrund der durch den durchfließenden Strom bewirkten Erwärmung der Bauteile. Aufgrund von Diffusionsvorgängen bilden sich Zinn- Kupfer-Mischkristalle in einer Fügezone, die erwünschterweise eine höhere mechanische und/oder thermische Festigkeit besitzen als das Lot selbst.
Das beschriebene Verfahren des Diffusionslötens kann jedoch seitens der Anlagentechnik aufwendig und kostenintensiv sein. Das Benetzen der
Wickelelementenden mit Flussmittel und das anschließende Verzinnen sind im Allgemeinen nicht wertschöpfende Prozesse und sind mit signifikanten
Materialkosten für die Herstellung des Ankers verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden alternative Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden wenigstens dreier Bauteile vorgeschlagen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht dabei eine vereinfachte Prozessführung bzw. einen reduzierten Aufwand für die Anlagentechnik. Insbesondere kann auf ein Verzinnen verzichtet werden. Der Vorgang des Diffusionslötens kann durch einen in mancher Hinsicht einfacheren Prozess ersetzt werden.
Das hierin vorgeschlagene Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von wenigstens drei Bauteilen umfasst zunächst das Anordnen der Bauteile in einen Stapel, in dem ein mittleres Bauteil zwischen ein erstes äußeres Bauteil und ein zweites äußeres Bauteil zwischengelagert ist. Anschließend wird ein elektrischer Strom derart bewirkt, dass der Strom von einem der äußeren Bauteile durch das mittlere Bauteil hin zu dem anderen äußeren Bauteil fließt. Das mittlere Bauteil ist dabei in einem Schweißbereich, durch den der bewirkte elektrische Strom fließt, sowohl an seiner zu dem ersten äußeren Bauteil gerichteten Oberfläche als auch an seiner zu dem zweiten äußeren Bauteil gerichteten Oberfläche mit einer sogenannten Gestaltabweichung ausgebildet, wobei die Gestaltabweichung erster Ordnung, zweiter Ordnung und/oder dritter Ordnung bezüglich einer glatten Oberfläche sein soll.
Eine dem vorgeschlagenen Verfahren zugrunde liegende Idee kann dabei darin gesehen werden, den bisher zum Verbinden von mehreren Bauteilen
beispielsweise eines Ankers einer Elektromaschine verwendeten Prozess des Diffusionslötens durch einen Widerstandsschweißprozess zu ersetzen. Bei einem solchen Widerstandsschweißprozess wird Material der zu
verbindenden Bauteile aufgrund der durch den durchfließenden elektrischen Strom bewirkten Temperaturerhöhung in einen schmelzflüssigen Zustand versetzt. Beim anschließenden Abkühlen dieser Grenzflächen erstarrt das geschmolzene Material und bewirkt so eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen.
Es wurde nun erkannt, dass die beim Durchfließen des elektrischen Stromes bewirkte Erhitzung stark von der lokal vorherrschenden Stromdichte abhängt. Es wird daher vorgeschlagen, die zu verbindenden Bauteile in dem Schweißbereich nicht vollflächig aneinandergrenzen zu lassen. Stattdessen soll das mittlere Bauteil im Schweißbereich an seinen beiden hin zu dem benachbarten ersten bzw. zweiten äußeren Bauteil gerichteten Oberflächen eine nicht-glatte
Oberfläche, d.h. eine Oberfläche mit einer makroskopischen Gestaltabweichung, aufweisen. Aufgrund dieser nicht-glatten Oberfläche liegt das mittlere Bauteil lediglich in kleinen Teilflächen, vorzugsweise lediglich punktuell, an den jeweiligen angrenzenden Oberflächen des ersten bzw. zweiten äußeren Bauteils an. In dazwischen liegenden Teilbereichen bestehen kein mechanischer Kontakt und somit auch kein elektrischer Kontakt. Der durch den Stapel von Bauteilen fließende elektrische Strom wird somit in diesen Teilbereichen elektrischen Kontakts zwischen den Bauteilen konzentriert. Es stellt sich daher lokal eine erhöhte Stromdichte und damit eine verstärkte lokale Erhitzung ein. Diese verstärkte Erhitzung kann zu einem lokalen Aufschmelzen von Material der zu verbindenden Bauteile führen, wodurch beim anschließenden Abkühlen ein lokaler stoffschlüssiger Verbund zwischen den Bauteilen bewirkt werden kann.
Mit anderen Worten wird die Stärke des bewirkten elektrischen Stroms vorzugsweise derart eingestellt, dass die Bauteile in Regionen, in denen das mittlere Bauteil im Schweißbereich mit seinen gestaltabweichenden Oberflächen an benachbarte Oberflächen des ersten bzw. des zweiten äußeren Bauteils angrenzt, lokal aufschmelzen. Die Richtung des Stromes ist hierbei weitgehend irrelevant, d.h. es kann ein Gleichstrom vom ersten äußeren Bauteil durch das mittlere Bauteil hin zum zweiten äußeren Bauteil oder umgekehrt oder ein Wechselstrom bewirkt werden. Anders ausgedrückt können eine Oberflächenstruktur des mittleren Bauteils und ein durch den Stapel von Bauteilen geleiteter elektrischer Strom derart gewählt sein, dass nur die Spitzen der Oberflächenstruktur aufgrund der dort
herrschenden lokalen Widerstandserhöhung aufschmelzen. Die
Oberflächenstruktur kann dabei sowohl mikroskopisch in Form beispielsweise von Rauheitsspitzen als auch makroskopisch in Form von Riffelungen,
Gewinden, Buckeln etc. ausgeprägt sein.
Dadurch, dass nur das mittlere Bauteil mit einer Oberflächenstruktur versehen ist, lassen sich in beiden Fügezonen zwischen dem mittleren Bauteil und dem ersten äußeren Bauteil einerseits und dem mittleren Bauteil und dem zweiten äußeren Bauteil andererseits gezielt und definiert Kontaktzonen einstellen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Gestaltabweichungen technischer Oberflächen gemäß der deutschen Industrienorm DIN 4760 als in sechs unterschiedliche Grade unterteilt verstanden werden können. Gestaltabweichungen erster bis vierter Ordnung können sich dabei überlagern und damit die reale
Oberflächenbeschaffenheit eines Körpers bestimmen. Unter einer
Gestaltabweichung erster Ordnung kann eine Formabweichung bezüglich einer Sollform verstanden werden. Unter einer Gestaltabweichung zweiter Ordnung kann eine Welligkeit verstanden werden. Unter einer Gestaltabweichung dritter Ordnung kann eine Rauheit in Form von Rillen verstanden werden.
Gestaltabweichungen vierter, fünfter und sechster Ordnung betreffen eine Rauheit in Form von Riefen, Schuppen, Kuppen, eine Rauheit der Gefügestruktur bzw. einen Gitteraufbau des Werkstoffs.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Gestaltabweichung an den Oberflächen des mittleren Bauteils eine Gestaltabweichung zweiter Ordnung in Form einer Welligkeit mit Strukturgrößen im Bereich von 50 μηη bis 5 mm, vorzugsweise von 50μηη bis 1 mm.
Derart makroskopische Gestaltabweichungen können zur Folge haben, dass sowohl die Kontaktflächen, in denen das mittlere Bauteil an einem der angrenzenden äußeren Bauteile anliegt, als auch die lateralen Abstände zwischen solchen Kontaktflächen in etwa in der Größenordnung der
Strukturgrößen liegen. Sowohl die Größe der Kontaktflächen als auch der Abstand zwischen benachbarten Kontaktflächen haben Einfluss auf die elektrische Stromdichte im Bereich der Kontaktfläche beim Anlegen des
Schweißstroms.
Die verhältnismäßig großen Strukturen einer Gestaltabweichung zweiter Ordnung in Form einer Welligkeit können beispielsweise einfach und
kostengünstig hergestellt werden.
Zum Beispiel können derart makroskopische Gestaltabweichungen im
Schweißbereich des mittleren Bauteils durch Fertigungsprozesse wie
umformende Verfahren, wie zum Beispiel Rollieren, Rändeln, Pressen etc., durch urformende Verfahren, wie zum Beispiel Gießen, durch spanende
Verfahren, wie zum Beispiel Drehen, Gewindeschneiden etc. oder durch strahlende Verfahren, wie zum Beispiel Kugelstrahlen, Sandstrahlen,
Laserstrukturieren etc., ausgebildet werden. Solche Fertigungsverfahren ermöglichen eine einfache und kostengünstige makroskopische Strukturierung der Oberfläche des mittleren Bauteils.
In einer alternativen Ausführungsform ist die im Schweißbereich des mittleren Bauteils vorgesehene Gestaltabweichung eine Gestaltabweichung dritter Ordnung in Form einer Rauheit mit Strukturgrößen im Bereich von 10 μηη bis 50 μηη.
Die Eigenschaft der„Welligkeit" oder„Rauheit" der Gestaltabweichungen an der Schweißfläche des mittleren Bauteils soll hauptsächlich ein Maß für die vorherrschenden Strukturgrößen implizieren, nicht jedoch zwingend eine Angabe über spezielle Formen der Gestaltabweichung beinhalten. Beispielsweise können die Gestaltabweichungen eine scharfkantige, zackige Struktur oder auch eine verrundete weiche Struktur aufweisen. Die Gestaltabweichungen können sich im Wesentlichen homogen über die Schweißfläche verteilen.
Die Gestaltabweichungen an dem Schweißbereich des mittleren Bauteils können auch in Form eines sogenannten Mittenrauwertes Ra angegeben werden. Ein Mittenrauwert beschreibt die Rauheit einer technischen Oberfläche, die beispielsweise durch Zerspanungsverfahren, Urform verfahren oder
Umformverfahren hergestellt wurde. Ideal glatte Oberflächen hätten einen Mittenrauwert von 0. Realistische Mittenrauwerte reichen von kaum sichtbaren Bearbeitungsspuren von Ra = 0,025 μηη bis hin zu deutlich sichtbaren Riefen, Schuppen oder Kuppen mit Ra = 50 μηη. Auch gröberen, makroskopischen Gestaltabweichungen wie den oben beschriebenen Welligkeiten können
Mittenrauwerte zugeordnet werden, die beispielsweise im Bereich von deutlich mehr als 50 μηη liegen können.
Im Gegensatz zu dem mittleren Bauteil können die zu dem mittleren Bauteil gerichteten Oberflächen des ersten und des zweiten äußeren Bauteils im
Wesentlichen glatt sein. Mit anderen Worten brauchen die äußeren Bauteile nicht speziell bearbeitet zu werden, um gezielt Gestaltabweichungen zu erzeugen.„Im Wesentlichen glatf kann dabei beispielsweise dahingehend interpretiert werden, dass die verbleibenden Gestaltabweichungen vierter oder höherer Ordnung sind. Anders ausgedrückt kann ein Mittenrauwert der im Wesentlichen glatten
Oberflächen der äußeren Bauteile kleiner als 10 μηη sein.
Zumindest eines der zu verbindenden Bauteile, vorzugsweise aber alle zu verbindenden Bauteile können aus Kupfer bestehen. Im Gegensatz zu z.B. Zinn- Lot ist Kupfer hochschmelzend mit einem Schmelzpunkt bei
1083°C. Das vorgeschlagene Verbindungsverfahren erlaubt, derart hohe
Temperaturen zumindest lokal mit einem akzeptablen Energieaufwand zu generieren und so die Bauteile zwar nicht ganzflächig, aber über punktuelle Teilregionen zu verschweißen und damit eine mechanisch und elektrisch ausreichende Verbindung zwischen den Bauteilen zu erzeugen.
Alternativ können zumindest eines der zu verbindenden Bauteile, vorzugsweise aber alle zu verbindenden Bauteile aus Aluminium bestehen.
In einer konkreten Ausführungsform der Erfindung ist das äußere Bauteil eine Oberlage eines Ankers einer Elektromaschine, das mittlere Bauteil eine
Unterlage eines Ankers der Elektromaschine und das zweite äußere Bauteil eine Kommutatorlamelle des Ankers der Elektromaschine.
Bei Ankern für Elektromaschinen kann es besonders vorteilhaft sein, die
Oberlage und die Unterlage des Ankers, d.h. verschiedene Wicklungsenden der Ankerwicklungen, übereinander gestapelt an einer Kommutatorlamelle anzubringen. Das beschriebene Widerstandsschweißverfahren ist hierfür besonders geeignet.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind das erste und das zweite äußere Bauteil jeweils Flanken eines Crimps, die das mittlere Bauteil mit seiner zumindest bereichsweise strukturierten Oberfläche umschließen.
Der Crimp kann somit mit seinen beiden im Wesentlichen glatten Flanken in einfacher Weise durch das beschriebene Widerstandsschweißverfahren mit dem umschlossenen mittleren Bauteil stoffschlüssig verbunden werden.
Mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens lässt sich zum Beispiel ein Anker für eine Elektromaschine herstellen, bei dem eine Unterlage zwischen eine Oberlage und eine Kommutatorlamelle zwischengelagert ist und die drei Komponenten innerhalb eines Schweißbereichs stoffschlüssig verbunden sind. Die Oberlage, die Unterlage und die Kommutatorlamelle sind hierbei innerhalb des Schweißbereichs nur in Teilregionen, die in ihrer Strukturgröße einer Gestaltabweichung erster, zweiter und/oder dritter Ordnung bezüglich einer glatten Oberfläche entsprechen, stoffschlüssig miteinander verbunden.
Anders ausgedrückt kann aufgrund des beschriebenen Widerstandsschweißverfahrens eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Oberlage, der Unterlage und der Kommutatorlamelle nicht ganzflächig sein, sondern sich innerhalb des Schweißbereichs lokal auf kleine Teilregionen beschränken. Das Material in Verbindungsbereichen ist dabei das während des
Widerstandsschweißens temporär aufgeschmolzene Material zumindest eines der Bauteile. Mit anderen Worten bestehen die Verbindungsbereiche, in denen die Unterlage mit der Oberlage oder der Kommutatorlamelle stoffschlüssig verbunden ist, aus dem Material zumindest eines der Unterlage, der Oberlage und der Kommutatorlamelle. Weiteres, niedrigschmelzenderes Material, beispielsweise in Form eines Lotes, braucht an den Verbindungsbereichen nicht vorhanden zu sein.
Diese Art der stoffschlüssigen Verbindung der Ankerkomponenten kann aus der Art des Herstellungsverfahrens resultieren. Es kann damit eine vereinfachte Herstellbarkeit des vorgeschlagenen Ankers bei gleichzeitig ausreichend mechanisch fester und elektrisch leitender Verbindung der Ankerkomponenten erreicht werden.
Es wird angemerkt, dass mögliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und teilweise mit Bezug auf Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ankers beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die verschiedenen Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise
Synergieeffekten zu gelangen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ankers für eine
Elektromaschine;
Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teilbereichs des
Kommutators eines Ankers mit zwei übereinanderliegenden Enden von Wickelelementen;
Figur 3 zeigt eine Längsschnittansicht eines Teilbereichs eines Ankers im
Bereich des Kommutators mit übereinanderliegenden Enden von Wickelelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt einen Anker 1, der Teil einer Elektromaschine wie beispielsweise eines Starters für einen Verbrennungsmotor sein kann. Der Anker 1 weist eine Anker- bzw. Rotorwelle 2, ein Anker- bzw. Lamellenpaket 3, welches fest mit der Ankerwelle 2 verbunden ist und über den Umfang verteilt eine Vielzahl von Wickelelementen 4 aufweist, und einen Kommutator 5, der benachbart zu einer Stirnseite der Ankerwelle 2 angeordnet ist, auf. Die freien Enden der
Wickelelemente 4 sind fest miteinander und mit dem Kommutator 5 verbunden.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Anker im Bereich des Kommutators 5 mit auf der Außenfläche des Kommutators 5 übereinanderliegenden
Wickelelementenden 8, 9. In der dargestellten Ausführungsform kann das Wickelelementende 9 zu einer Oberlage des Ankers gehören und als erstes äußeres Bauteil verstanden werden. Das Wickelelementende 8 kann zu einer
Unterlage des Ankers gehören und als mittleres Bauteil verstanden werden. Die Kommutatorlamelle 6 kann als zweites äußeres Bauteil verstanden werden. Anders ausgedrückt liegen an der Oberfläche bzw. Außenseite der
Kommutatorlamelle 6 die Wickelelementenden 8, 9 zweier verschiedener Wickelelemente 4 übereinander, wobei die beiden Enden jeweils eines
Wickelelements an verschiedenen Kommutatorlamellen 6 jeweils einmal die untere und einmal die obere Lage bilden. Die Kommutatorlamellen 6 sind gegenüber benachbarten Lamellen des Kommutators 5 über Isolierstege 7 isoliert.
Figur 3 zeigt eine Schnittansicht durch die Kommutatorlamelle 6 mit darüber gestapelten Wickelelementenden 8, 9. Das als mittleres Bauelement dienende Wickelelementende 8 weist in einem Schweißbereich 11 Gestaltabweichungen 12 in Form einer Welligkeit oder Rauheit mit nach außen abragende
makroskopische Spitzen 10 auf. Die Gestaltabweichungen 12 sind dabei an beiden Oberflächen des Wickelelements 8 vorgesehen, d. h. an einer zu dem darüberliegenden Wickelelement 9 gerichteten Oberfläche sowie an einer zu der darunterliegenden Kommutatorlamelle 6 gerichteten Oberfläche. Im dargestellten Beispiel sind die Gestaltabweichungen 12 als um das Wickelelementende umlaufendes Gewinde realisiert. Die Strukturgröße der Gestaltabweichungen 12 kann dabei zwischen einem Zehntel Millimeter und mehreren Millimetern betragen, wobei sich die angegebenen Größen sowohl auf einen radialen Abstand zwischen den am weitesten außenliegenden Bereichen und den am weitesten innenliegenden Bereichen einer Oberfläche beziehen können als auch auf den lateralen Abstand zwischen benachbarten, am weitesten
außenliegenden Bereichen. Um die Wickelelementenden 8, 9 und die Kommutatorlamelle 6 miteinander stoffschlüssig zu verbinden, wird an das außenliegende Wickelelement 9 sowie an die an der anderen Seite außenliegende Kommutatorlamelle 6 eine elektrische Spannung angelegt. Wie mit den Pfeilen 13, 14 angedeutet, fließt daraufhin ein elektrischer Strom von beispielsweise 10 Kiloampere von dem äußeren Wickelelementende 9 über das dazwischen angeordnete
Wickelelementende 8 hin zu der Kommutatorlamelle 6.
Da ein elektrischer Kontakt zwischen dem mittleren Wickelelementende 8 und dem äußeren Wickelelementende 9 bzw. der Kommutatorlamelle 6 lediglich in den Teilregionen besteht, in denen die abragenden Spitzen 10 der
Gestaltabweichungen 12 an die glatten Oberflächen des Wickelelementendes 9 bzw. der Kommutatorlamelle 6 angrenzen, muss ein durch den Stapel von Bauteilen 9, 8, 6 geleiteter Strom 13, 14 sich an der Grenzfläche zwischen den Bauteilen 9, 8, 6 lokal auf diese Teilregionen konzentrieren. Aufgrund der lokal erhöhten Stromdichte kommt es somit an den Kontaktstellen zu einer verstärkten Wärmeerzeugung. Dieser Effekt wird noch dadurch unterstützt, dass an den Kontaktstellen ein erhöhter Kontaktwiderstand auftreten kann. Die verstärkte Wärmeentwicklung kann dazu genutzt werden, die Spitzen 10 der
Gestaltabweichungen 12 sowie die angrenzenden Bereiche an der Oberfläche des äußeren Wickelelementendes 9 bzw. der Kommutatorlamelle 6 temporär lokal aufzuschmelzen. Beim anschließenden Abkühlen und Erstarren der Schmelze kommt es zu der gewünschten stoffschlüssigen Verbindung.
Aufgrund der mit Gestaltabweichungen versehenen Oberfläche des mittleren Wickelelementendes 8 und den daraus resultierenden lokalen
Stromkonzentrationen und damit lokal konzentrierten Wärmeentwicklungen kann ein relativ geringer Strom 13, 14 zum Bewirken des Widerstandsschweißens genügen. Somit kann bei dem hier vorgeschlagenen Verbindungsverfahren auf einen herkömmlich notwendigen Verzinnungsvorgang verzichtet werden und trotzdem gegebenenfalls die herkömmlich für ein Diffusionslöten eingesetzten Widerstandsschweißmaschinen für das hierin vorgestellte Verfahren weiter verwendet werden.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von wenigstens drei Bauteilen (6, 8, 9), wobei das Verfahren aufweist:
Anordnen der Bauteile (6, 8, 9) in einen Stapel mit einem ersten äußeren Bauteil (9), einem mittleren Bauteil (8) und einem zweiten äußeren Bauteil (6);
Bewirken eines elektrischen Stromes (13, 14) von einem der äußeren (6, 9) Bauteile durch das mittlere Bauteil (8) hin zum dem anderen äußeren Bauteil (9, 6);
dadurch gekennzeichnet, dass
das mittlere Bauteil (8) in einem Schweißbereich (1 1 ), durch den der bewirkte elektrische Strom (13, 14) fließt, sowohl an seiner zu dem ersten äußeren Bauteil (9) gerichteten Oberfläche als auch an seiner zu dem zweiten äußeren Bauteil (6) gerichteten Oberfläche eine Gestaltabweichung (12) erster Ordnung, zweiter Ordnung und/oder dritter Ordnung bezüglich einer glatten Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Stärke des bewirkten elektrischen Stroms (13, 14) derart eingestellt wird, dass die Bauteile (6, 8, 9) in
Regionen, in denen das mittlere Bauteil im Schweißbereich (1 1 ) mit seinen gestaltabweichenden Oberflächen (12) an benachbarte Oberflächen des ersten bzw. zweiten äußeren Bauteils (9, 6) angrenzt, lokal aufschmelzen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gestaltabweichung (12) eine Gestaltabweichung zweiter Ordnung in Form einer Welligkeit mit
Strukturgrößen im Bereich von 50μηι bis 5mm ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gestaltabweichung (12) eine Gestaltabweichung dritter Ordnung in Form einer Rauheit mit Strukturgrößen im Bereich von 10μηι bis 50μηι ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gestaltabweichung (12) im Schweißbereich (1 1 ) des mittleren Bauteils (8) durch einen
Fertigungsprozess ausgewählt aus der Gruppe umfassend umformende Verfahren, urformende Verfahren, spanende Verfahren und strahlende Verfahren ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zu dem mittleren Bauteil (8) gerichteten Oberflächen des ersten und des zweiten äußeren Bauteils (9, 6) im Wesentlichen glatt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste äußere Bauteil (9), das mittlere Bauteil (8) und/oder das zweite äußere Bauteil (6) aus Kupfer bestehen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste äußere Bauteil (9), das mittlere Bauteil (8) und/oder das zweite äußere Bauteil (6) aus Aluminium bestehen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste äußere Bauteil (9) eine Oberlage eines Ankers (1 ) einer Elektromaschine ist, das mittlere Bauteil (8) eine Unterlage des Ankers (1 ) ist und das zweite äußere Bauteil (6) eine Kommutatorlamelle des Ankers (1 ) ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste und das zweite äußere Bauteil (6, 9) jeweils Flanken eines Crimps sind, die das mittlere Bauteil (8) umschließen. 1 1 . Anker (1 ) für eine Elektromaschine, aufweisend:
eine Oberlage (9);
eine Unterlage (8); und
eine Kommutatorlamelle (6);
wobei die Unterlage (8) zwischen die Oberlage (9) und die
Kommutatorlamelle (6) zwischengelagert ist; und
wobei die Oberlage (9), die Unterlage (8) und die Kommutatorlamelle (6) innerhalb eines Schweißbereichs (1 1 ) stoffschlüssig verbunden sind;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberlage (9), die Unterlage (8) und die Kommutatorlamelle (6) innerhalb des Schweißbereichs (1 1 ) nur in Teilregionen, die in ihrer Strukturgröße einer Gestaltabweichung (12) erster Ordnung, zweiter Ordnung und/oder dritter Ordnung bezüglich einer glatten Oberfläche entsprechen, stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
12. Anker nach Anspruch 10, wobei Verbindungsbereiche, in denen die
Unterlage (8) mit der Oberlage (9) und/oder der Kommutatorlamelle (6) stoffschlüssig verbunden ist, aus dem Material zumindest eines der Unterlage (8), der Oberlage (9) und der Kommutatorlamelle (6) bestehen.
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