DE102007054418A1

DE102007054418A1 - Elektrischer Leiter und Stanzgitter mit Stegleitern aus einem solchen elektrischen Leiter

Info

Publication number: DE102007054418A1
Application number: DE102007054418A
Authority: DE
Inventors: Wolf Neumann-Henneberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-05-14
Also published as: WO2009062469A2; DE112008003001A5; WO2009062469A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter (1) insbesondere als Stegleiter (4) eines Stanzgitters. Zur Einsparung von Kupfer schlägt die Erfindung vor, den Leiter (1) als Schichtverbundwerkstoff mit einer Kupferschicht (2), auf der beidseitig Aluminiumschichten (3) aufgebracht sind, auszubilden (Figur 1).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter sowie ein Stanzgitter, dessen Stegleiter aus dem elektrischen Leiter bestehen.
Im Automobilbereich werden Stanzgitter für mehr oder weniger komplexe elektrische Leitungsführungen verwendet. Die Leitungsführung kann zweidimensional oder in mehreren Ebenen dreidimensional sein. Ein Beispiel eines komplexen solchen dreidimensionalen Stanzgitters mit Stegleitern in mehreren Ebenen offenbart die Patentschrift DE 197 13 008 C1 des Anmelders. Die Stegleiter der Stanzgitter werden aus Kupferblechen gestanzt und sind für Hochstromanwendungen mit Strömen bis zu etwa 400 Ampere bei einer Spannung von 24 Volt vorgesehen. Durch zunehmend mehr elektrische Stromverbraucher im Automobilbereich und deren ständig größer werdenden elektrischen Leistungen steigen die elektrischen Ströme. Eine weitere Steigerung der elektrischen Ströme ist durch neue elektrische Komponenten wie elektrische Bremsen und elektrische Lenkhilfen zu erwarten.
Bisher bestehen die Stegleiter der Stanzgitter wie schon gesagt aus Kupfer. Kriterien, die für Kupfer sprechen, sind dessen gute elektrische Leitfähigkeit, Bearbeitbarkeit, insbesondere durch Stanzen und Biegen, Verfügbarkeit und bis vor einem oder vor wenigen Jahren auch der akzeptable Preis. In jüngerer Zeit sind die Metallpreise wie die Rohstoffpreise allgemein erheblich gestiegen, wobei die Preissteigerung von Kupfer überdurchschnittlich war.
Aufgabe der Erfindung ist deswegen einen elektrischen Leiter insbesondere als Stegleiter eines Stanzgitters vorzuschlagen, der bei gleicher oder jedenfalls ähnlich guter elektrischer Leitfähigkeit bezogen auf den Querschnitt oder bei gleichem Querschnitt preisgünstiger ist. Da die weitere Preisentwicklung von Kupfer im Verhältnis zu anderen Metallen nicht vorhersehbar ist, ist die Aufgabe dahingehend zu verallgemeinern, einen elektrischen Leiter mit verringertem Kupferanteil bei gleichem Querschnitt oder gleicher oder zumindest ähnlich guter elektrischer Leitfähigkeit wie Kupfer vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie durch ein Stanzgitter mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Der erfindungsgemäße elektrische Leiter ist ein Schichtverbundwerkstoff mit einer Schicht aus Kupfer, die beidseitig Schichten aus einem anderen Metall aufweist. Insbesondere ist der elektrische Leiter ein Blech, das wie Kupferblech durch Stanzen und Biegen verarbeitbar ist. Im Vergleich mit einem ausschließlich aus Kupfer bestehenden Leiter hat der erfindungsgemäße elektrische Leiter den Vorteil eines eines geringeren Kupferanteils bei gleicher elektrischer Leitfähigkeit bezogen auf den Querschnitt oder bei gleichem Querschnitt. Weiterer Vorteil ist der geringere Preis bei den Metallpreisen zum Zeitpunkt dieser Patentanmeldung. Der erfindungsgemäße elektrische Leiter ist verarbeitbar wie Kupferblech, insbesondere sind durch Stanzen und Biegen wie gewohnt Stanzgitter herstellbar. Durch den Schichtaufbau mit einer Kupferschicht zwischen zwei Schichten aus einem anderen Metall wird der Bi-Metalleffekt, also ein Biegen des elektrischen Leiters bei Temperaturänderung, vermieden.
Die Kupferschicht des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters besteht vorzugsweise aus Reinkupfer, die beidseitigen Schichten aus einem anderen Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit. Das andere Metall kann beispielsweise ein Eisenwerkstoff, z. B. also Stahl sein. Die beiden Schichten auf dem Kupfer bestehen vorzugsweise aus demselben Metall und sind vorzugsweise gleich dick, so dass sich der elektrische Leiter bei Temperaturänderung nicht wie ein Bi-Metall biegt. Denkbar sind auch verschiedene Metalle auf den beiden Seiten der Kupferschicht um unterschiedliche elektrische-, mechanische- und/oder chemische Eigenschaften auf beiden Seiten des Leiters zu erreichen. In diesem Fall ist die Dicke der beiden Schichten und deren Temperaturdehnung so abgestimmt, dass sich der Leiter bei einer Temperaturänderung nicht oder nur wenig biegt. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Schichten auf beiden Seiten der Kupferschicht aus Aluminium, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung; es ist allerdings auch Reinaluminium bei Ausführungsformen der Erfindung verwendbar. Wenn nachfolgend von Aluminium die Rede ist, ist darunter insbesondere eine Aluminiumlegierung zu verstehen, wobei Reinaluminium nicht ausgeschlossen ist. Aluminium hat den Vorteil einer guten elektrischen Leitfähigkeit, und zwar auch bei Zusatz von Legierungsbestandteilen. Pro Querschnitt ist die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium zwar geringer als die von Kupfer, bezogen auf das Gewicht ist die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium allerdings besser als die von Kupfer.
Die Zugfestigkeit R_m der Kupferschicht beträgt vorzugsweise etwa 260 N/mm² oder mehr. Dadurch ist eine ausreichende mechanische Stabilität zur Befestigung von beispielsweise Steckverbindern gegeben.
Im Rahmen der Erfindung können die beiden Schichten des elektrischen Leiters, die aus einem anderen Metall als Kupfer bestehten, weicher, härter oder gleich hart sein wie die Kupferschicht bzw. eine niedrigere, höhere oder gleich große Zugfestigkeit R_m aufweisen. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weisen die beiden Schichten aus dem anderen Metall eine niedrigere Zugfestigkeit R_m als die Kupferschicht auf, sind weicher als die Kupferschicht und/oder weisen eine höhere Duktilität auf. Die weicheren Schichten außen auf der Kupferschicht führen einen Einpresspin (auch Einpresspin genannt) beim Einpressen. Duktilität bedeutet plastische Verformbarkeit. Mit hoher Duktilität ist eine höhere Duktilität der beiden auf der Kupferschicht angebrachten Schichten als die Duktilität des Kupfers gemeint. Eine hohe Duktilität bedeutet auch, dass sich die beiden Schichten beim Einpressen eines Einpresspins plastisch an diesen anformen und den Kontaktbereich des Pins mit dem elektrischen Leiter hermetisch gegen den Zutritt von Luft abdichten. Dadurch wird eine Oxidation der Oberfläche des anderen, beidseitig auf die Kupferschicht aufgebrachten Metalls im Kontaktbereich vermieden. Das ist insbesondere bei Aluminium von großer Bedeutung, dessen Oberfläche bei Luftzutritt oxidiert und dadurch elektrisch isoliert. Das wird durch eine hohe Duktilität des Aluminiums oder allgemein der Metallschichten auf der Kupferschicht vermieden. Hohe Duktilität im Sinne der Erfindung ist also auch durch die beschriebene plastische Anformung der Schichten an einen Einpresspin beim Einpressen definierbar. Dabei ist ein Einpresspin beispielhaft zu verstehen, der Effekt soll auch bei anderen, durch Einpressen in den elektrischen Leiter mit dem Leiter verbindbare und kontaktierbare elektrische Verbinder auftreten. Die Duktilität der Schichten auf der Kupferschicht vermeidet eine Korrosion und eine Verschlechterung des elektrischen Übergangswiderstands im Kontaktbereich des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters mit einem eingepressten Einpresspin oder einem sonstigen eingepressten elektrischen Verbinder.
Der Anspruch 6 hat ein Stanzgitter zum Gegenstand, dessen Stegleiter aus einem elektrischen Leiter gestanzt sind, wie er vorstehend erläutert worden ist. Zur Erläuterung wird auf den vorstehenden Text verwiesen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Stanzgitter mindestens einen Verbinder, insbesondere einen Steckverbinder, aufweist, der in einen Stegleiter des Stanzgitters gesteckt oder eingepresst ist. Der Verbinder dient zum elektrischen Verbinden des Stegleiters mit beispielsweise einem elektrischen Kabel oder einem elektrischen Bauelement. Der Steckverbinder kann ein Kontaktgin, ein Messerkontakt, ein Messeraufnahmekontakt, ein Halter für eine Sicherung oder ein Relais sein. Die Aufzählung ist nicht abschließend. Ein Messeraufnahmekontakt ist üblicherweise ein Blechstanzteil, das einen Schlitz aufweist, durch den zwei Federarme gebildet sind, zwischen die ein Messerkontakt einsteckbar ist. Es können auch der Messerkontakt als Stecker und der Messeraufnahmekontakt als Kupplung einer elektrischen Steckverbindung aufgefasst werden. Ein Halter für eine Sicherung oder ein Relais kann wie ein Messeraufnahmekontakt gestanzt sein, so dass die Sicherung oder das Relais mit einem ihrer Kontakte einsteckbar und dadurch elektrisch kontaktierbar und mechanisch gehalten ist. Es sind insbesondere so viel Halter vorgesehen, wie die Sicherung oder das Relais elektrische Anschlüsse aufweist, wobei die Halter in verschiedene Stegleiter des Stanzgitters gesteckt oder eingepresst und dadurch mit den Stegleitern kontaktiert sind. Die Halter können auch als Sockel für die Sicherung oder das Relais aufgefasst werden. Beispiele derartiger Steckverbinder, die durch Stecken bzw. Einpressen in Ausstanzungen oder sonstige Öffnungen von Stegleitern mit den Stegleitern kontaktiert und zugleich mechanisch befestigt werden, offenbaren das bereits genannte Patent DE 197 13 008 C1 sowie die Offenlegungsschrift DE 103 52 761 A1 und DE 101 49 574 A1 des Anmelders. Das Stecken oder Einpressen des Verbinders in das Loch im Stegleiter verformt die Metallschichten auf der Kupferschicht plastisch so, dass sich die Metallschichten plastisch an den Verbinder anformen. Eine Kontaktfläche, an der der Verbinder elektrisch leitend in Kontakt mit dem Stegleiter steht, wird hermetisch abgedichtet und dadurch ein Luftzutritt verhindert. Dadurch wird eine Oxidation des Metalls an der Kontaktfläche verhindert. Insbesondere wenn die Metallschichten aus Aluminium bestehen, verhindert die Duktilität und die dadurch beim Stecken oder Einpressen des Steckverbinders in den Stegleiter erfolgende plastische Anformung und hermetische Abdichtung eine Oxidation der Oberfläche des Aluminiums an der Kontaktfläche. Eine Oxidation der Oberfläche des Aluminiums, die elektrisch isolierend ist, wird vermieden und eine dauerhaft gute Kontaktierung mit niedrigem elektrischen Übergangswiderstand zwischen dem Verbinder und dem Stegleiter des Stanzgitters bewirkt.
Zum Einpressen eines Einpresspins ist nicht in jedem Fall ein Loch in dem elektrischen Leiter erforderlich. Der auch als Einpressstift bezeichnete Einpresspin kann bei ausreichender Festigkeit und kleinem Durchmesser ohne vorherige Ausstanzung in den elektrischen Leiter eingepresst werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die beiden Figuren zeigen Ausschnitte von Stegleitern eines Stanzgitters gemäß der Erfindung.
Die in 1 und 2 dargestellten, erfindungsgemäßen elektrischen Leiter 1 sind Stegleiter eines im übrigen nicht dargestellten Stanzgitters. Die elektrischen Leiter 1 bestehen aus einem Schichtverbundwerkstoff mit einer Kupferschicht 2, auf der beidseitig Aluminiumschichten 3 aufgebracht sind. Die Kupferschicht 2 weist Reinkupfer auf, die Aluminiumschichten 3 weisen eine Aluminiumlegierung auf. Die Aluminiumschichten 3 sind gleich dick, ihre Zugfestigkeit R_m ist niedriger als die der Kupferschicht 2. Der aus dem Schichtverbundwerkstoff bestehende elektrische Leiter 1 ist ein Blech, aus dem Stegleiter 4 eines im übrigen nicht gezeichneten Stanzgitters gestanzt sind. Der elektrische Leiter 1 bildet also einen Stegleiter 4 des im übrigen nicht gezeichneten Stanzgitters gemäß der Erfindung.
In den Stegleiter 4 sind Löcher zum Ein- oder Durchstecken oder Einpressen von Verbindern gestanzt. 1 zeigt einen solchen Verbinder in Form eines Messeraufnahmekontakts 5, also eines Steckverbinders. Der dargestellte Messeraufnahmekontakt entspricht dem in der Offenlegungsschrift DE 103 52 761 A1 offenbarten Kontakt, die hiermit vollinhaltlich in Bezug genommen wird. Der Messeraufnahmekontakt 5 ist stanzpaketiert aus mehreren deckungsgleichen Blechstanzteilen, die einen Schlitz 6 zum Einstecken eines nicht dargestellten Messerkontakts aufweisen. Der Schlitz 6 teilt den Messeraufnahmekontakt 5 in zwei Federschenkel 7, zwischen die der Messerkontakt steckbar ist. Aufgrund der Stanzpaketierung sind die Federschenkel 7 mehrlagig. An seinem Fuß weist der Messeraufnahmekontakt 5 eine Einpresszone 8 auf, in der Federschenkel 9 gebildet sind, die sternförmig auseinander bzw. zusammenfedern. Der Messeraufnahmekontakt 5 wird mit seiner Einpresszone 8 in das Loch im Stegleiter 4 eingepresst. Dabei werden die beiden Aluminiumschichten 3 plastisch verformt, sie passen und formen sich an die Federschenkel 9 der Einpresszone 8 des Messeraufnahmekontakts 5 hermetisch dichtend an. Ein Luftzutritt an eine Kontaktfläche, in der die Federschenkel 9 der Einpresszone 8 des Messeraufnahmekontakts 5 an den Schichten 2, 3 des elektrischen Leiters 1, der den Stegleiter 4 des Stanzgitters bildet, wird durch die hermetische Abdichtung verhindert. Dadurch wird eine Oxidation der Oberfläche des Aluminiums innerhalb der Kontaktfläche vermieden, so dass der elektrische Übergangswiderstand zwischen der Einpresszone 8 des Messeraufnahmekontakts 5 und dem den Stegleiter 4 bildenden elektrische Leiter 1 dauerhaft niedrig bleibt.
Der Messeraufnahmekontakt 10 aus 2 weist keine Einpresszone auf, bei ihm durchgreift der Schlitz 11, der den Messeraufnahmekontakt 10 in die beiden Federschenkel 12 unterteilt, zwischen die ein nicht dargestellter Messerkontakt steckbar ist, den den Stegleiter 4 bildenden elektrischen Leiter 1. Es werden die Federschenkel 12 des Messeraufnahmekontakts 10 durch ein rechteckiges Loch im elektrischen Leiter 1 gesteckt. Ein solcher Messeraufnahmekontakt 10 ist offenbart in der Offenlegungsschrift DE 101 49 574 A1 , die hiermit vollinhaltlich in Bezug genommen wird. Auch beim Messeraufnahmekontakt 10 verformen die Federschenkel 12 beim Stecken in das Loch des elektrischen Leiters 1 dessen Aluminiumschichten 3 plastisch, so dass sich die Aluminiumschichten 3 an die Federschenkel 12 anformen. Auch in 2 dichten die Aluminiumschichten 3 des elektrischen Leiters 1 durch ihre plastische Anformung an die Federschenkel 12 des Messeraufnahmekontakts 10 die Kontaktfläche hermetisch ab und verhindern einen Luftzutritt an die Kontaktfläche, an der die Federschenkel 12 mit dem elektrischen Leiter 1 in elektrisch leitendem Kontakt sind oder anders gesagt an einer Wand des Lochs anliegen, in das der Messeraufnahmekontakt 10 gesteckt ist. Eine Oxidation der Oberfläche des Aluminiums an der Kontaktfläche wird verhindert, der elektrische Übergangswiderstand vom Messeraufnahmekontakt 10 zu dem elektrischen Leiter 1, der den Stegleiter 4 des im übrigen nicht dargestellten Stanzgitters bildet, bleibt dauerhaft niedrig.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat der elektrische Leiter eine Gesamtdicke von 1,3 mm wovon die Kupferschicht 2 eine Dicke von 0,3 mm und die Aluminiumschichten 3 Dicken von jeweils 0,5 mm aufweisen. Der elektrische Leiter 1 ist zum Ersatz eines vollständig aus Kupfer bestehenden Stegleiters mit einer Dicke von 0,8 mm vorgesehen. Die Gesamt- und Schichtdickenangaben des Ausführungsbeispiels sollen die Größenordnungen des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters 1 als solches und im Verhältnis zu einem Stegleiter aus Kupfer veranschaulichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19713008 C1 [0002, 0010]
- DE 10352761 A1 [0010, 0014]
- DE 10149574 A1 [0010, 0015]

Claims

Elektrischer Leiter, der einen Schichtverbundwerkstoff mit einer Schicht (2) aus Kupfer und beidseitig auf der Kupferschicht (2) Schichten (3) aus einem anderen Metall aufweist.
Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschicht (2) beidseitig Aluminiumschichten (3) aufweist.
Elektrischer Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschicht (2) eine Zugfestigkeit R_m von etwa 260 N/mm² oder mehr aufweist.
Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichten (3) aus dem anderen Metall niedrigere Zugfestigkeit als die Kupferschicht (2) aufweisen.
Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichten (3) aus dem anderen Metall als Kupfer eine hohe Duktilität aufweisen.
Stanzgitter mit Stegleitern, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegleiter (4) einen Schichtverbundwerkstoff mit einer Schicht (2) aus Kupfer und beidseitig auf der Kupferschicht (2) Schichten (3) aus einem anderen Metall aufweisen.
Stanzgitter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stanzgitter mindestens einen Verbinder, insbesondere einen Steckverbinder (5; 10), aufweist, der in einen Stegleiter (4) des Stanzgitters gesteckt oder eingepresst ist.
Stanzgitter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Stecken oder Einpressen des Verbinders (5; 10) in den Stegleiter (4) dessen Metallschichten, die nicht aus Kupfer bestehen, hermetisch dichtend gegen Luftzutritt an den Verbinder (5; 10) angeformt sind.