DE102012212907A1

DE102012212907A1 - Vorrichtung zur Verbindung zweier flach ausgebildeter Werkstücke und Verfahren zum Verbinden

Info

Publication number: DE102012212907A1
Application number: DE201210212907
Authority: DE
Inventors: Frank Bertels; Frank Alefelder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2014-01-30

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur elektrischen und mechanischen Verbindung zweier flach ausgebildeter Werkstücke offenbart, wobei das erste Werkstück mit einer ersten Stoßkante und das zweite Werkstück mit einer zweiten Stoßkante versehen ist und die zweite Stoßkante korrespondierend zur ersten Stoßkante ausgebildet ist, und wobei die erste Stoßkante und die zweite Stoßkante vor dem Verbinden in einem Anstellwinkel (α, β) ausgebildet sind.

Description

Elektrische Verteilsysteme können als Stromschienensysteme ausgebildet sein. Dabei enthalten Stromschienensysteme Stromschienen, die als langgestreckte, feste Leiter in Richtung des Stromflusses ausgebildet sind. Stromschienensysteme werden zum Transport und zur Verteilung elektrischer Energie eingesetzt. Typische Aufgaben eines Stromschienensystems sind beispielsweise die Verbindung von einem Transformator über einen Hauptverteiler zum Unterverteiler oder die Versorgung von Großverbrauchern. Ebenfalls werden Stromschienensysteme beispielsweise dazu verwendet, in Windenergieanlagen den im Turmkopf erzeugten Strom eines Generators zum Turmfuß zu leiten oder Strom vom Turmfuß in den Turmkopf zu transportieren, um dort die elektrischen Anlagen mit Energie zu versorgen.
Typischerweise sind die Stromschienen eines Stromschienensystems in einem Schienenkasten untergebracht. Der Schienenkasten dient dem mechanischen Schutz und dem Zusammenhalt der Komponenten des Stromschienensystems. Er verhindert, dass ein unerwünschter elektrischer Kontakt zwischen Stromschienen und Umgebung stattfinden kann. Der Schienenkasten ist daher so dimensioniert, dass zum Einen die Abstände zur Verhinderung eines unerwünschten elektrischen Kontakts gewahrt sind, und zum Andern die Stromschienen innerhalb des Schienenkastens durch natürliche oder erzwungene Konvektion gekühlt werden.
Die Stromschienen – oder auch Leiterschienen genannt – im Innern eines Schienenkastens können aus Kupfer, Aluminium oder ähnlich leitenden Materialien gefertigt sein. Die Stromschienen aneinandergrenzender Segmente werden typischerweise mit einer Bolzenverbindung elektrisch miteinander verbunden. Dazu überlappen die Enden benachbarter Stromschienen, und es wird ein Bolzen angebracht, der Kraft auf die plan aneinanderliegenden Enden der benachbarten Stromschienen ausübt und diese gegeneinander presst.
Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Form einer Verbindung zwischen Stromschienen geschieht über einen so genannten Klemmblock. Jede Stromschiene erstreckt sich in horizontaler Richtung ihrer Länge nach. Die Stromschienen werden über den Klemmblock verbunden, indem jede Stromschiene zwischen zwei leitende Kontaktbleche geklemmt wird, die wiederum durch Isolierplatten gegeneinander isoliert sind. Die Enden der Stromschienen sind dabei abisoliert, wodurch die Kontaktierungsflächen für einen Kontaktierungsbereich der Stromschienenanordnung gebildet werden.
Bei der elektrischen und mechanischen Verbindung von Stromschienen, die überlappungsfrei verbunden werden, ist das Verschweißen ein typisches Verfahren. Hierbei wird Wärme in das Material der Stromschiene eingebracht, welches sich negativ auf die Gefügestruktur und damit negativ auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Stromschiene auswirkt. Eine vorherige Oberflächenbehandlung von zu verschweißenden Stromschienen ist ebenfalls nicht zulässig, da diese Oberflächenbehandlung durch die eingebrachte Wärme wieder zerstört würde. Zusätzlich erschwert die raue Oberfläche der Schweißnaht das Beschichten mit Lackierungen und Isolierstoffen, so dass keine Porenfreiheit gewährleistet werden kann.
Eine andere Art der elektrischen Verbindung von Stromschienen ist in der FR 2 787 251 A1 beschrieben. Die Stoßkanten der Flachleiter sind hierbei als geschwungene Linien oder Mäander komplementär zueinander derart ausgebildet, dass die Stoßkanten der zusammengefügten Flachleiter Hinterschneidungen aufweisen. Mit den Hinterschneidungen entsteht eine in der Streckungsrichtung der Leiter formschlüssige Verzahnung. Zur Herstellung eines hohen Übergangsleitwerts müssen die Stoßkanten miteinander verpresst, verlötet oder verschweißt werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem Stromschienen elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden können, ohne dass die Verbindung den bisher aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen der typischen Verfahren wie Schweißen beziehungsweise Verpressen der Stoßkanten unterliegt.
Die Aufgabe wird gelöst gemäß Anspruch 1 und Anspruch 7. Gemäß Anspruch 1 ist das erste Werkstück mit einer ersten Stoßkante und das zweite Werkstück mit einer zweiten Stoßkante versehen und die zweite Stoßkante korrespondierend zur ersten Stoßkante ausgebildet, wobei die erste Stoßkante und die zweite Stoßkante vor dem Verbinden in einem Anstellwinkel ausgebildet sind.
Vorteilhaft ist hierbei, dass durch den Anstellwinkel der Stoßkanten eine Fügeschräge gebildet wird, die als Keil wirkt und eine Nutzung eines großen Übermaßes zwischen den beiden Stoßkanten ermöglicht. Hierdurch können sehr hohe Andruckkräfte zwischen den beiden Werkstücken erreicht werden, wodurch ein hoher Kontaktdruck und gleichzeitig ein hoher Kraftschluss erzielt wird.
In einer Ausgestaltung betragen die Anstellwinkel bis zu 5° sind.
In einer Ausgestaltung ist die erste Stoßkante des ersten Werkstücks auf Übermaß gegenüber der zweiten Stoßkante des zweiten Werkstücks gefertigt. Dabei kann das Übermaß ungefähr 0,5mm betragen.
In einer weiteren Ausgestaltung verkleinert sich nach dem Verbinden der Anstellwinkel zumindest einer der beiden Stoßkanten.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die erste Stoßkante und die zweite Stoßkante in Form einer Nut-Feder-Verbindung ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die elektrische und mechanische Verbindung durch das Hintergreifen mindestens einer Hinterschneidung der ersten Stoßkante hinter die zweite Stoßkante erzielt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7 zum elektrischen und mechanischen Verbinden zweier flach ausgebildeter Werkstücke, wobei das erste Werkstück mit einer ersten Stoßkante und das zweite Werkstück mit einer zweiten Stoßkante versehen ist, und die Stoßkante korrespondierend zur ersten Stoßkante ausbildet ist, und wobei die erste und die zweite Stoßkante in einem Anstellwinkel ausgebildet sind, umfasst die Schritte:

– Aneinanderlegen der beiden Werkstücke, so dass die erste Stoßkante korrespondierend zur zweiten Stoßkante liegt;
– Ineinanderpressen der beiden Werkstücke, so dass die verbundenen Werkstücke im Wesentlichen flach ausgebildet sind.

In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt:

– Verschweißen des ersten Werkstücks mit dem zweiten Werkstück nach dem Ineinanderpressen.

In einer alternativen Ausgestaltung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt:

– Sintern des ersten und des zweiten Werkstücks nach dem Ineinanderpressen.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand der folgenden Figuren beschrieben.
1 Vorrichtung zur elektrischen und mechanischen Verbindung zweier flach ausgebildeter Werkstücke;
2 Detailansicht auf die erste Stoßkante des ersten Werkstücks und die zweite Stoßkante des zweiten Werkstücks; und
3A, 3B, 3C schematische Darstellung der Schritte des Verfahrens zum elektrischen und mechanischen Verbinden zweier flach ausgebildeter Werkstücke.
In 1 ist eine Vorrichtung 500 zur elektrischen und mechanischen Verbindung zweier flach ausgebildeter Werkstücke dargestellt. Das erste Werkstück 100 wird mit dem zweiten Werkstück 200 elektrisch und mechanisch verbunden. Das erste Werkstück 100 ist beispielsweise eine Stromschiene und das zweite Werkstück 200 ein Abgangsstück, um beispielsweise als Einspeisung oder Abgang eines Stromschienensystems zu dienen. Dazu kann beispielsweise das zweite Werkstück 200 Bohrungen 291, 292, 293 aufweisen, an die Kabel an das zweite Werkstück 200 angeschlossen werden können.
2 ist eine Detailansicht vor dem Verbinden der beiden Werkstücke. Das erste Werkstück 100 umfasst eine erste Stoßkante 190. Das zweite Werkstück 200 umfasst eine zweite Stoßkante 290. Die zweite Stoßkante 290 ist korrespondierend zur ersten Stoßkante 190 ausgebildet. Die erste Stoßkante 190 und die zweite Stoßkante 290 sind in Form einer Nut-Feder-Verbindung ausgebildet. Dabei werden von der ersten Stoßkante 190 Nuten 110, 120, 130 gebildet und entsprechend korrespondierend von der zweiten Stoßkante 290 Nuten 210, 220, 230, 240. Die Nuten 110, 120, 130 sind als Hinterschneidungen der ersten Stoßkante 190 ausgebildet, die im verbundenen Zustand der beiden Werkstücke hinter die zweite Stoßkante 290 hintergreifen.
In den 3A, 3B, 3C ist das Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden der beiden flach ausgebildeten Werkstücke 100, 200 näher erläutert. Die 3A, 3B, 3C stellen einen Schnitt entlang der lang ausgebildeten Stromschiene 100 und dem Abgangsstück 200 dar. Die Nuten 110, 120, 130, 140 haben einen Anstellwinkel β. Die korrespondierende zweite Stoßkante 290 des zweiten Werkstücks 200 ist mit einem Anstellwinkel α versehen.
Die Anstellwinkel α, β betragen bis zu und 5° und sind ungleich 0°. Ein bevorzugter Anstellwinkel α, β für die erste Stoßkante 190 und die zweite Stoßkante 290 beträgt 1,5°. Die Anstellwinkel α, β können sich ebenfalls im Intervall bis zu 1° befinden.
Entsprechend 3B werden in einem ersten Schritt die beiden Werkstücke 100, 200 aneinander gelegt, so dass die erste Stoßkante 190 korrespondierend zur zweiten Stoßkante 290 liegt. Auf Grund der Anstellwinkel α, β können die beiden Werkstücke nicht direkt vollständig ineinander gelegt werden. Die erste Stoßkante 190 des ersten Werkstücks 100 ist auf Übermaß gegenüber der zweiten Stoßkante 290 des zweiten Werkstücks 200 gefertigt. Beispielsweise kann dieses Übermaß 0,5mm betragen.
Die aneinander gelegten Werkstücke werden in einem weiteren Schritt ineinander gepresst, so dass nach dem Ineinanderpressen das verbundene Werkstück im Wesentlichen flach ausgebildet ist, wie es in 3C dargestellt ist. Nach dem Verbinden kann sich der Anstellwinkel α, β zumindest einer der beiden Stoßkanten 190, 290 geändert haben. Insbesondere kann der Anstellwinkel sich verkleinert haben, wie es auch in der 3C dargestellt ist. Nach dem Ineinanderpressen der beiden Werkstücke sind diese im Wesentlichen flach ausgebildet, so dass wie in 1 dargestellt, das Werkstück gebrauchsfertig ist.
Die Fügeschrägen, die durch den Anstellwinkel α, β gebildet werden, wirken als Keil und ermöglichen die Nutzung eines großen Übermaßes zwischen den beiden Konturen der ersten Stoßkante 190 und der zweiten Stoßkante 290. Hierdurch können sehr hohe Andruckkräfte zwischen dem ersten Werkstück 100 und dem zweiten Werkstück 200 erreicht werden, wodurch ein hoher Kontaktdruck und gleichzeitig ein hoher Kraftschluss erzielt wird. Durch das Ineinanderpressen kommt es zu einem Kaltverpressen beziehungsweise Kaltverschweißen des ersten Werkstücks 100 mit dem zweiten Werkstück 200. Die Kaltverpressung beziehungsweise Kaltverschweißung erzeugt eine gute elektrische und mechanische Verbindung, es kommt zu einem Formschluss und Kraftschluss zwischen den beiden Bauteilen. Der Übergangswiderstand zwischen den Bauteilen wird dadurch erniedrigt.
Der Anpressdruck zum Ineinanderpressen des ersten Werkstücks 100 in das zweite Werkstück 200 oder umgekehrt, kann beispielsweise ca. 70 N/mm² betragen. Die maximale Einpresskraft beträgt ca. 10 N/mm² Reibfläche. Die Belastbarkeit des Kraftschlusses beträgt bis zu 20 kN.
Nach dem Ineinanderpressen der beiden Werkstücke ist es möglich, weitere Prozessschritte folgen zu lassen. Beispielsweise kann das erste Materialstück 100 mit dem zweiten Materialstück 200 nach dem Ineinanderpressen verschweißt werden. Ebenso ist denkbar, dass nach dem Ineinanderpressen des ersten Werkstücks 100 und des zweiten Werkstücks 200 die beiden Werkstücke gesintert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

FR 2787251 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung (500) zur elektrischen und mechanischen Verbindung zweier flach ausgebildeter Werkstücke, wobei das erste Werkstück (100) mit einer ersten Stoßkante (190) und das zweite Werkstück (200) mit einer zweiten Stoßkante (290) versehen ist und die zweite Stoßkante (290) korrespondierend zur ersten Stoßkante (190) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stoßkante (190) und die zweite Stoßkante (290) vor dem Verbinden in einem Anstellwinkel (α, β) ausgebildet sind.
Vorrichtung zur elektrischen und mechanischen Verbindung zweier flach ausgebildeter Werkstücke gemäß Anspruch 1, wobei die Anstellwinkel (α, β) bis zu 5° betragen.
Vorrichtung zur elektrischen und mechanischen Verbindung zweier flach ausgebildeter Werkstücke gemäß Anspruch 1, wobei die erste Stoßkante (190) des ersten Werkstücks (100) auf Übermaß gegenüber der zweiten Stoßkante (290) des zweiten Werkstücks (200) gefertigt ist.
Vorrichtung zur elektrischen und mechanischen Verbindung zweier flach ausgebildeter Werkstücke gemäß Anspruch 2, wobei das Übermaß ungefähr 0,5mm beträgt.
Vorrichtung zur elektrischen und mechanischen Verbindung zweier flach ausgebildeter Werkstücke gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei nach dem Verbinden sich der Anstellwinkel zumindest einer der beiden Stoßkanten verkleinert hat.
Vorrichtung zur elektrischen und mechanischen Verbindung zweier flach ausgebildeter Werkstücke gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die erste Stoßkante (190) und die zweite Stoßkante (290) in Form einer Nut-Feder-Verbindung (110, 120, 130, 140; 210, 220, 230, 240) ausgebildet sind.
Vorrichtung zur elektrischen und mechanischen Verbindung zweier flach ausgebildeter Werkstücke gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die elektrische und mechanische Verbindung durch das Hintergreifen mindestens einer Hinterschneidung (110, 120, 130, 140) der ersten Stoßkante (190) hinter die zweite Stoßkante (290) erzielt wird.
Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden zweier flach ausgebildeter Werkstücke, wobei das erste Werkstück (100) mit einer ersten Stoßkante (190) und das zweite Werkstück (200) mit einer zweiten Stoßkante (290) versehen ist und die zweite Stoßkante (290) korrespondierend zur ersten Stoßkante (190) ausgebildet ist und wobei die erste (190) und die zweite Stoßkante (290) in einem Anstellwinkel (α, β) ausgebildet sind, mit den Schritten: – Aneinanderlegen der beiden Werkstücke, so dass die erste Stoßkante (190) korrespondierend zur zweiten Stoßkante (290) liegt; – Ineinanderpressen der beiden Werkstücke, so dass die verbundenen Werkstücke im Wesentlichen flach ausgebildet sind.
Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden zweier flach ausgebildeter Werkstücke nach Anspruch 7, mit dem weiteren Schritt: – Verschweißen des ersten Werkstücks (100) mit dem zweiten Werkstück (200) nach dem Ineinanderpressen.
Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden zweier flach ausgebildeter Werkstücke nach Anspruch 7 oder 8, mit dem weiteren Schritt: – Sintern des ersten (100) und des zweiten Werkstücks (200) nach dem Ineinanderpressen.