DE2538295A1 - Verfahren zum herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen verbindung von aluminiumleitern an kupferkommutatoren - Google Patents
Verfahren zum herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen verbindung von aluminiumleitern an kupferkommutatorenInfo
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Description
R· 28 13
IiI. 8.1975 Wo/Ml
Anlage zur
Patentanmeldung
Patentanmeldung
Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen Verbindung von Aluminiumleitern an Kupfer
kommutator en
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen Verbindung von
Aluminiumleitern an Kupferkommutatoren.
Es ist bereits ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen Verbindung zwischen Kupferleitern
und Kupferkommutatoren bekannt, bei dem durch elektrische Widerstandserwärmung und Druck, d. h. durch Warmpres-
7 09810/010?
- 2 - 2Z\ £
sen = Hot staking die Leiterenden am Kommutator befestigt werden. Eine derart hergestellte Verbindung ist lediglich eine
"bessere" Klemmverbindung, sie ergibt jedoch zwischen zwei Kupferteilen eine gute elektrisch leitende und mechanisch
ausreichend feste Verbindung.
Im Hinblick auf die Preisentwicklung für' Kupfer sind immer mehr Bestrebungen im Gange, Kupferleiter durch Aluminiumleiter
zu ersetzen. Aluminium läßt sich jedoch nicht in derselben einfachen Weise wie Kupfer mit Metallen verbinden. Das bekannte
Verfahren zum Verbinden von Kupferteilen läßt sich somit auch nicht zum Verbinden von Aluminiumleitern mit Kupferkommutatoren
verwenden. Zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen Kupfer und Aluminium eignen sich bekannterweise
Schweißverfahren, mittels derer die Oxydhaut des Aluminiums
aufgerissen und eine gute elektrisch leitende Verbindung zwischen Aluminium und - wie hier angestrebt - Kupfer hergestellt
wird. Solche Schweißverbindungen sind jedoch spröde, so daß die. mechanische Festigkeit für elektrische Maschinen, besonders
wenn sie für den rauhen Betrieb in Kraftfahrzeugen bestimmt sind, nicht ausreicht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen
Verbindung von Aluminiumleitern an Kupferkommutatoren zu entwickeln, mit welchem außer der mechanischen Verklammerung
durch elektrische Widerstandserwärmung und Druck eine metallurgische Verbindung zwischen Aluminium und Kupfer geschaffen und
eine -Verfestigung des Verbindungsbereiches zwischen den beiden Metallen zustandegebracht wird, wobei das Verfahren so abzulaufen
hat, daß bei der für die Massenfertigung erforderlichen kurzen Taktzeit eine sichere Verbindung zwischen Aluminium
und Kupfer in einem Arbeitsgang unabhängig von den verschiedenen Schmelzpunkten der zu verbindenden Metalle hergestellt
wird.
709810/0107 - 3 -
28 1 ?. ,
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens
ein in einer Ausnehmung einer Kommutatorlamelle aus Kufper eingelegtes Ende eines elektrischen Leiters aus Aluminium in
"einem Verfahrensschritt durch elektrische Wirderstandserwärmung
und Druck mit der Kommutatorlamelle elektrisch leitend und mechanisch verbunden wird, wobei zwischen Aluminium und
Kupfer bei einer Temperatur kürz unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium eine Diffusionszone gebildet wird, in der die
elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Metallen zustandekommt, und daß die mechanische Festigkeit der Verbindung
durch weitere Druckerhöhung erzeugt wird, nachdem sich die Diffusionszone ausgebildet hat.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Verfahren zum Ausführen der elektrischen Widerstandserwärmung und
zum Durchführen des aus einzelnen Druckstufen bestehenden einzigen
Arbeitsganges ein.Elektrodenpaar - dessen Masseelektrode auf die Lauffläche der Kommutatorlamelle gesetzt wird - derart
verwendet, daß über eine auf eine Kupferlamelle gesetzte und
deren die Aluminiumleiterenden aufnehmende Ausnehmung überdeckende
Elektrode auf Lamelle und Leiterenden eine bestimmte Zeit ein Vorpreßdruck ausgeübt wird, anschließend eine Erhöhung des
Druckes auf einen Schweißdruck erfolgt, kurz nach Erreichen dieses Druckes über die Elektrode die zum Ausbilden der Diffusionszone
erforderliche elektrische Energie für eine bestimmte Zeit zugeführt wird, nach welcher eine weitere Erhöhung auf
einen Nachpreßdruck bei abgeschaltetem Strom unter Ausnutzung der beim Ausbilden der Diffusionszone zwischen Aluminium und
Kupfer erreichten Erwärmung des Kontaktbereichs erfolgt, wobei die Leiterenden und die Ausnehmung der Kupferlamelle absoluten
Formschluß erhalten und die mechanisch feste Verbindung zwischen Aluminium und Kupfer erreicht wird.
Die Diffusionszone soll sich entsprechend dem Verfahren für
Mengenfertigung mit relativ kurzen Taktzeiten schnell im nötigen Ausmaß ausbilden. Dazu werden vorteilhafterweise die Pha-
709810/0107 _ 4 _
sen des einzigen Arbeitsganges über ein Druckprogramm und
der um 5^7° C liegende Temperaturbereich für das Ausbilden der Diffusionszone elektronisch gesteuert. Bei 5^7 C bildet sich bekannterweise am günstigsten die Diffusionszone
in Form von Al Cu aus.
der um 5^7° C liegende Temperaturbereich für das Ausbilden der Diffusionszone elektronisch gesteuert. Bei 5^7 C bildet sich bekannterweise am günstigsten die Diffusionszone
in Form von Al Cu aus.
Da Aluminium einen wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt als Kupfer hat, ist es von Vorteil, die relativ v/eichen Aluminiumleiterenden
beim Verstemmen und Kontaktieren entsprechend dem Verfahren vor dem Abquetschen dadurch zu schützen, daß an die
an die Ausnehmung grenzende Stirnseite der Kommutatorlaraellen eine Stützfläche für die Leiterenden angeformt wird, deren
Mantelfläche eine axiale Verlängerung des Grundes der Ausnehmung bildet. Dazu hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß
die Stützfläche einstückig mit einer die Kommutatorlamellen tragenden Nabe aus Isolierstoff gebildet wird.
Bei unter ungünstigen Bedingungen arbeitenden elektrischen Maschinen kann ein zusätzlicher Korrosionsschutz erforderlich
sein, wozu die Ausnehmungen der Kommutatorlamellen vor dem Einlegen der Leiterenden mit einer Nutauskleidung versehen
werden können.
Anhand einer Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Sie zeigt in
Pig.l einen Kommutator im Teilschnitt mit eingelegten
Leiterenden und Elektroden einer Kontaktiervorrichtung in der Ausgangsstellung,
Fig. 2 in eine Ausnehmung eingelegte Leiterenden in
einem Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 die in die Ausnehmung eingelegten Leiterenden
nach dem Vorpressen
nach dem Vorpressen
Fig. H die in die Ausnehmung eingelegten Leiterenden
nach dem Ausbilden der Diffusionszone und dem
nach dem Ausbilden der Diffusionszone und dem
Nachpressen,
709810/0107
538^95
Fig. 5 den Kommutator im Teilschnitt mit kontaktierten
Leiterenden.
Das Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden und mechanisch festen Verbindung von Aluminiumleiterenden 1 in
Kupferkommutatoren 2 wird in einer Vorrichtung durchgeführt, welche durch eine Masseelektrode 3 und eine Arbeitselektrode
4 vereinfacht dargestellt ist. In dieser nicht näher dargestellten
Vorrichtung ist der Kommutator 2 aufgenommen, dessen mit Fahnen 5 versehene Lamellen 6 bereits in eine Nabe 7
aus Isolierstoff eingebettet sind. Die Nabe 7 ist noch auf eine Buchse 8 aufgebracht. An der mit den Fahnen 5 versehenen
Stirnseite des Kommutators 2 ist der Isolierstoff als Bund 9 ausgebildet. Die Mantelfäche 10 des Bundes 9 bildet eine axiale
Verlängerung des Grundes 11 eines Schlitzes 12 in jeder Lamelle 6.
In den Schlitz 12 jeder Lamelle 6 sind zwei Leiterenden 1 eingelegt, wobei das am Grund 11 anliegende Leiterende 1 (Unterlagendraht)
auch auf der Mantelfläche IG des Bundes 9 aufliegt, welche als Stützfläche dient. Die Masseelektrode 3
wird nun auf die Lauffläche der Lamelle 6 gesetzt, während die Arbeitselektrode 4 unter Vorpreßdruck auf das etwas über
den Rand der Fahne 5 ragende Leiterende 1 (Oberlagendraht) gedrückt wird, bis die Elektrode 4 auf der Fahne 5 aufliegt.
Die Leiterenden 1 werden dabei so in den Schlitz 12 gedrückt, daß sie bereits einen guten Formschluß mit den Wänden 13 und
dem Grund 11 des Schlitzes 12 bilden (Fig. 3).
Nunmehr wird der Druck der Arbeitselektrode 4 auf Schweißdruck
erhöht und kurz nach dessen Erreichen die zum Ausbilden einer Diffusionssone an den Leiterenden 1 entlang den Wänden
13 und dem Grund 11 des Schlitzes 12 der Lamelle 6 erforderliche elektrische Energie zugeführt. Dabei bildet sich in etwa
einem Drittel der Taktzeit, in welcher nur ein einziger Arbeitsgang erforderlich ist, die Diffusionszone aus. Der
Temperaturbereich, in dem sich die Diffusionszone in Form
709810/0107 " 6 ~
" β " 28 13
von AIpCu am günstigsten ausbildet, wird durch elektronische
Steuerung möglichst genau auf 5^7° C gehalten.
Steuerung möglichst genau auf 5^7° C gehalten.
Durch den über die Arbeitselektrode 4 auf die Leiterenden 1 im
Schlitz 12 und den Randbereich Ik der Fahne 5 ausgeübten
Schweißdruck und die zugeführte Stromwärme während der Ausbildung der Diffusionszone wird der Kontaktbereich zwischen Fahne 5 und Leiterenden 1 so erwärmt, daß bei Druckerhöhung auf den
Nachpreßdruck nach Ausbilden der Diffusions zone und abgeschaltetem Strom die Arbeitselektrode k die Leiterenden 1 im Schlitz 12 fest verstemmt. Leiterenden 1 und Fahne 5 erhalten dabei
absoluten Formschluß, ohne daß das den Oberlagendraht bildende Leiterende 1 unzulässig stark deformiert wird (Fig. 4). Durch
das Nachpressen wird der Relaxation des Aluminiums derart
entgegengewirkt, daß die durch die Diffusionszone gebildete
gute elektrisch leitende Verbindung zwischen Aluminium und
Kupfer, welche an sich spröde ist, so verfestigt wird, daß sie auch den mechanischen Anforderungen genügt. Das ist besonders bei Kommutatoren für elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen erforderlich, die großer Schüttelbewegung ausgesetzt
sind.
Schweißdruck und die zugeführte Stromwärme während der Ausbildung der Diffusionszone wird der Kontaktbereich zwischen Fahne 5 und Leiterenden 1 so erwärmt, daß bei Druckerhöhung auf den
Nachpreßdruck nach Ausbilden der Diffusions zone und abgeschaltetem Strom die Arbeitselektrode k die Leiterenden 1 im Schlitz 12 fest verstemmt. Leiterenden 1 und Fahne 5 erhalten dabei
absoluten Formschluß, ohne daß das den Oberlagendraht bildende Leiterende 1 unzulässig stark deformiert wird (Fig. 4). Durch
das Nachpressen wird der Relaxation des Aluminiums derart
entgegengewirkt, daß die durch die Diffusionszone gebildete
gute elektrisch leitende Verbindung zwischen Aluminium und
Kupfer, welche an sich spröde ist, so verfestigt wird, daß sie auch den mechanischen Anforderungen genügt. Das ist besonders bei Kommutatoren für elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen erforderlich, die großer Schüttelbewegung ausgesetzt
sind.
Um das elektrochemische Spannungsgefälle vom Kupfer zum Aluminium möglichst niedrig zu halten und so Korrosion weitgehend
zu verhindern, werden bei ungünstigen Umgebungsbedingungen die Schlitze 12 vor dem Einlegen der Leiterenden 1 mit einer Nutauskleidung - beispielsweise durch Verzinnen - versehen.
zu verhindern, werden bei ungünstigen Umgebungsbedingungen die Schlitze 12 vor dem Einlegen der Leiterenden 1 mit einer Nutauskleidung - beispielsweise durch Verzinnen - versehen.
709810/0107
Claims (7)
- Ansprüchel) Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden und
mechanisch festen Verbindung von Aluminiumleitern an
Kupferkommutatoren,, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein in einer Ausnehmung (12) einer Kommutatorlamelle (5,
6) aus Kupfer eingelegtes Ende (1) eines elektrischen Leiters aus Aluminium in einem Verfahrensschritt durch elektrische Widerstandserwärmung und Druck mit der Kommutatorlamelle (5, 6) elektrisch leitend und mechanisch verbunden wird, wobei zwischen Aluminium und Kupfer bei einer Temperatur kurz unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium eine Diffusionszone gebildet wird, in der die elektrisch leiten-■ de Verbindung zwischen den beiden Metallen (1; 5) zustandekommt, und daß die mechanische Festigkeit der Verbindung
durch weitere Druckerhöhung erzeugt wird, nachdem sich die Diffusionszone ausgebildet hat. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßüber eine auf eine Kupferlamelle (53 6) gesetzte und deren die Aluminiumleiterenden (1) aufnehmende Ausnehmung (12)
überdeckende Elektrode (4) auf Lamelle (5) und Leiterende
(1) eine bestimmte Zeit ein Vorpreßdruck ausgeübt wird,
anschließend eine Erhöhung des Druckes auf einen Schweißdruck erfolgt, kurz nach Erreichen dieses Druckes über die Elektrode (1J) die zum Ausbilden der Diffusionszone erforderliche elektrische Energie für eine bestimmte Zeit zugeführt709810/010728wird, nach welcher eine weitere Erhöhung auf einen Nachpreßdruck bei abgeschaltetem Strom unter Ausnutzung der beim Ausbilden der Diffusionszone zwischen Aluminium (1) und Kupfer (5) erreichten Erwärmung des Kontaktbereichs (14) erfolgt j wobei durch Entgegenwirken der Relaxation des Aluminiums die Leiterenden (1) und die Ausnehmung (11 bis 13) der Kupferlamelle (5, 6) absoluten Formschluß erhalten und die mechanisch feste Verbindung zwischen Aluminium und Kupfer erreicht wird. - 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen des einzigen Arbeitsgangs über ein Druckprogramm gesteuert werden.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3S dadurch gekennzeichnet, daß der um 547° C liegende Temperaturbereich für das Ausbilden der Diffusionszone elektronisch gesteuert wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die an die Ausnehmungen (12) grenzende Stirnseite der Kommutatorlamelle (5a 6) ein Stützbund · (9) für die Leiterenden (1) angeformt wird, dessen Mantelfläche (10) eine axiale Verlängerung des Grundes (11) der Ausnehmung (12) bildet.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die709810/0107 _ _- 9 - 281^Stützfläche (10) einstückig mit einer die Kommutatorlamellen (6) tragenden Nabe (7) aus Isolierstoff gebildet wird.
- 7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (12) der Kommutatorlamellen (5j 6) vor dem Einlegen der Leiterenden (1) mit einer Nutauskleidung versehen v/erden. '.:-<7 0 9 810/0107JIOLeerseite<Λ
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