-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbindung eines Litzenleiters mit einem elektrischen Leiter mittels magnetischer Umformtechnik und ein Verfahren zur Verbindung von Litzenleitern mit einem zweiten elektrischen Leiter. Solche Vorrichtungen werden insbesondere in Fahrzeugen im Automobilbereich, in der Luftfahrt, im schienengebunden Transport und der Schifffahrt benötigt.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Bei der Verwendung von herkömmlichen Kabelbäumen in Form von Rundleitern in Fahrzeuganwendungen werden große Kabellängen mit großen Durchmessern und entsprechend erheblichen Gewichten verwendet.
-
Durch die Anwendung von Flachleitern, insbesondere aus Aluminium, können der Einbauraum und das Leitergewicht deutlich reduziert werden. Der Flachleiter wird hierbei entlang der Bodengruppenkontur vom Hinterraum bis zum Motorraum verlegt.
-
Weiterhin hat die geometrische Form der Flachleiter elektrotechnische Vorteile gegenüber Rundleitern. Durch einen mehrschichtigen Flachleiter kann neben der Energie- und Signalversorgung auch die Masserückführung unabhängig von den Karosseriewerkstoffen im Fahrzeug erfolgen. Durch den geschichteten, flachen Aufbau werden zusätzlich die elektromagnetischen Felder außerhalb des Mehrschichtleiters verringert.
-
Um die Verbraucher im Fahrzeug mit Strom versorgen zu können, muss von dem Mehrschichtleiter eine Kontaktierung erfolgen.
-
Ist eine Kontaktierung mit Litzenleiter vorgesehen, ergibt sich die weitere Schwierigkeit, eine ausreichend gute elektrische Kontaktierung mit einer großen Anzahl der Litzen zu bewirken. Besteht der Litzenleiter aus Aluminium oder dessen Legierungen, so ist der Kontakt trotz der Oxidschicht des Litzenleiters herzustellen. Herkömmliche Verbindungstechniken haben sich dafür als wenig geeignet herausgestellt.
-
Eine relativ einfache Möglichkeit der Kontaktierung des mehrschichtigen Flachleiters ist die direkte Verbindung mit einem entisolierten 'Pig tail' (Rundleiter bzw. Litzenleiter). Bei der Verwendung von Aluminium-Rundleitern oder Kupferleitern bietet sich das Ultraschallschweißverfahren an. Hierbei können jedoch durch den Ultraschall andere, bereits durchgeführte Verbindungen am Flachleiter bzw. am zu kontaktierenden Bauteil wieder gelöst werden.
-
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbindung eines Litzenleiters mit einem zweiten Leiter bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile überwinden.
-
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den weiteren Patentansprüchen aufgeführt.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Werkzeug zur Aufnahme des Litzenleiters, wobei das Werkzeug eine erste Vertiefung aufweist, deren Querschnitt kleiner als der Querschnitt des Litzenleiters ist. Durch magnetische Umformtechnik wird eine Relativbewegung der Leiter zueinander und nach einem Aufeinandertreffen eine stoffschlüssige Verbindung erreicht. Durch die Gestaltung der den Litzenleiter aufnehmenden Vertiefung werden eine Verdichtung des Litzenleiters, eine breitfläche Verbindung zwischen Litzenleiter und zweiten Leiter und bessere elektrische Kontakte zwischen den Litzen eines Leiters erzielt.
-
Die magnetische Umformtechnik beseitigt effektiv Oxidschichten, die besonders bei aluminiumhaltigen Litzenleitern gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung ein Kontaktproblem darstellen könnten. Es ist durch die geringe Erwärmung während der magnetischen Umformung auch möglich, dass sich bereits weitere Verbindungen am zweiten Leiter befinden. Diese werden durch die magnetische Umformtechnik nicht wieder erwärmt und beschädigt.
-
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Vertiefung eine größere Breite als Tiefe auf, wodurch die Kontaktfläche zwischen Litzenleiter und zweiten Leiter vergrößert und der elektrische Kontakt der Verbindung verbessert wird. Geeignete Formen der Vertiefung sind Halbkreis oder Trapez oder Wellenform, die das Einsetzen des Litzenleiters erleichtern und enge Kurven und scharfe Kanten vermeiden. Als wellenförmig sind Formen beschrieben, die zwei oder mehrere Wellentäler und zumindest einen Wellenkamm umfassen, wobei der Wellenkamm unter der Oberkante der Vertiefung innerhalb des Werkzeugs liegt und eine abgeflachte Oberseite aufweist.
-
Für eine weitere Verdichtung des Litzenleiters ist in der Vertiefung des Werkzeugs ein Dorn oder mehrere Dorne angeordnet, mit dem besondere der Kern des Litzenleiters, in dem sonst größere Kontaktschwächen vorliegen, verdichtet wird und/oder sind die Seitenwände der Vertiefung steil angeordnet, um eine gute seitliche Verdichtung des Litzenleiters sicherzustellen. Der Dorn ist eine Erhöhung mit punkt- oder linienförmiger Spitze und kann nachträglich in die Vertiefung des Werkzeugs eingebracht oder als Teil der Vertiefung ursprünglich ausgeformt worden sein.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine zweite Vertiefung im Werkzeug vor, die einen zweiten Litzenleiter aufnehmen kann. Damit können mehrere Litzenleiter gleichzeitig verbunden werden, wodurch die Effizienz des Herstellungsprozesses gesteigert und Stromverteilungen realisiert werden können. Eine Verbindung mit zwei Litzenleitern kann alternativ auch dadurch erfolgen, dass die erste Vertiefung derartig dimensioniert ist, dass der Querschnitt der Vertiefung kleiner als die Summe der Querschnitte der Litzenleiter ist.
-
Prinzipiell hat sich die magnetische Umformtechnik zur Verbindung des Litzenleiters mit unterschiedlichen Formen des zweiten Leiters – der auch ein zweiter Litzenleiter sein kann – geeignet gezeigt. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der zweite Leiter ein Flachleiter, beispielsweise Teil eines mehrschichtigen Flachleiters, der als Energiebackbone in Fahrzeugen genutzt wird, oder ein Gehäuseelement oder Kabelschuh ist. Bei der Direktkontaktierung mit einem Gehäuse können Zwischenelemente eingespart werden. Durch eine Verbindung mit einem normierten Kabelschuh wird eine Folgeverbindung mit standardisierten Kontaktbaugruppen erleichtert.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind eine oder mehrere weitere Vertiefungen in das Werkzeug eingebracht, die zur Verformung des zweiten Leiters beitragen. Diese Vertiefungen grenzen an die erste Vertiefung an, verlaufen parallel zu ihr und führen zu Verformungen des zweiten Leiters. Diese Verformungen können als zusätzliche Funktion zur Versteifung des zweiten Leiters, als mechanischer Schutz für die Verbindung oder als Führungsschiene genutzt werden.
-
Vorteilhafterweise ist der Litzenleiter mit einer Hülse oder Crimphülse umgeben, womit ein eventuelles Ausreißen oder Spleißen von Litzen während des Verdichtungsvorganges vermieden wird. Im magnetischen Umformprozess wird zusätzlich diese offene oder geschlossene Aderendhülse oder Crimphülse verarbeitet und mit dem Litzenleiter verbunden. Alternativ kann diese Verbindung auch bereits vorab mit einem anderen Arbeitsverfahren erfolgen und dadurch die Litzenleiter vorverdichtet sein.
-
Handelt es sich beim zweiten Leiter um einen Flachleiter, Gehäuseteil oder Ähnliches, wird durch die elektromagnetische Umformung vorteilhafterweise der zweite Leiter beschleunigt. Dieser ist typischerweise leichter als das Werkzeug und damit leichter zu beschleunigen und zu bewegen.
-
Die magnetische Umformtechnik reinigt oxidierte Oberflächen, so dass die Erfindung vorteilhafterweise auf Litzenleiter und/oder zweite Leiter anwendbar ist, die im Wesentlichen aus Aluminium bestehen.
-
Eignet sich der zweite Leiter nicht zur Beschleunigung, ist vorteilhafterweise das Werkzeug zu beschleunigen, womit auch der Litzenleiter bewegt wird. Dazu besteht das Werkzeug aus einem leitenden Material und ist oberflächenbeschichtet. Die elektrische Leitfähigkeit ist nötig, um elektromagnetische Kräfte im Werkzeug zu erzeugen. Die Oberflächenbeschichtung erlaubt es zusätzlich, den Litzenleiter nach vollzogener Verbindung ohne Beschädigung des Werkzeuges zu entfernen.
-
Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben erwähnten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Verbinden eines Litzenleiters mit einem zweiten Leiter.
-
2 zeigt schematisch einen Ablauf der Herstellung der Verbindung zwischen Litzenleiter und Flachleiter.
-
3 bis 7 zeigen unterschiedliche Ausformungen einer Vertiefung im Werkzeug.
-
8 zeigt schematisch die Verbindung eines Litzenleiters, der mit einer Hülse umgeben ist.
-
9a bis 9d zeigen eine Vorrichtung zur Verbindung zweier Litzenleiter.
-
10a bis 10c zeigen eine Vorrichtung zur Verdichtung eines Litzenleiters und späterer Verbindung mit einem Flachleiter.
-
11 bis 13 zeigen die Verbindungen eines Flachleiters, Gehäuseteils oder Kabelschuhs mit einer unterschiedlichen Anzahl von Rundleitern.
-
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Ein Flachleiter, insbesondere für Mehrschichtleiter aus mehreren beabstandeten Flachleitern, im Fahrzeug, ist vorzugsweise aus Aluminium gefertigt und hat bei Niedervoltanwendungen von 12 V bis 48 V üblicherweise eine Querschnittsfläche von ca. 60 mm2. Für hohe elektrische Leitfähigkeiten sind beim Aluminium Reinheitsgrade von mindestens 99,5% zu empfehlen. Aufgrund der hohen Fließfähigkeit von Aluminium sollte die Kontaktierung eine möglichst hohe Formbeständigkeit bzw. Festigkeit aufweisen. Hier bietet sich Kupfer oder hochfestes Aluminium für einen Litzenleiter an.
-
Die Kontaktierung des Flachleiters sollte diese erhöhte Fließfestigkeit aufweisen und eine Kraftübertragung auf den Flachleiter verhindern, um mögliche Ablösungen aufgrund Vibrationen, Temperaturwechsel und anthropogener mechanischer Belastungen über die Fahrzeuglebensdauer zu vermeiden.
-
Ein Verfahren der Verbindung unterschiedlicher Materialien, insbesondere metallischer Werkstoffe, ist hierbei die elektromagnetische Umformtechnik, auch EMPT-Verfahren oder elektromagnetisches Pulsumformentechnik genannt. Der Vorteil des EMPT-Verfahrens ist, dass ohne eine Temperaturerhöhung unterschiedlichste Metalle, z. B. Kupfer auf Aluminiumbänder, ohne Gefügeveränderungen verbunden werden können. Zwischen den metallischen Fügepartnern kann dadurch eine sehr gute stoffliche Verbindung und ein sehr guter elektrischer Kontakt erreicht werden, siehe
Dr. Ralph Schäfer, Dr. Pablo Pasquale; "Die Elektromagnetische Puls Technologie im industriellen Einsatz", White Paper, June 2009;
www.pstproducts.com/html/downloads.html.
-
In 1 ist die Vorrichtung zur Verbindung eines Rundleiters 1, beispielsweise eines Litzenleiters aus Kupfer- oder Aluminiumlitzen, mit einem Flachleiter 2a aus Aluminium dargestellt. Der Rundleiter liegt auf einem Werkzeug auf, das sich mit einer Entladevorrichtung 21 zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes – die Feldlinien sind exemplarisch angedeutet – in einem Gehäuse 22 befinden. Eine Steuereinrichtung 20 regelt das elektromagnetische Feld entsprechend der einstellbaren Anforderungen an die zu erzeugende Kraft, mit der der Flachleiter 2a auf das Werkzeug mit dem eingelegten Rundleiter 1 zu beschleunigen ist.
-
Beim elektromagnetischen Umformverfahren wird der Flachleiter 2a durch das extrem starke elektromagnetische Feld auf den entisolierten Rund- bzw. Litzenleiter beschleunigt und verbunden, da typischerweise dem Rund- bzw. Litzenleiter 1 die Beschleunigungsmasse und -fläche fehlt. Die geometrische Ausführung des Werkzeuges ist hierbei für die Qualität der Verbindung ausschlaggebend. Das Werkzeug muss im EMPT-Verfahren eine Litzenleiterverdichtung und eine Verbindung an den Flachleiter 2a bewirken. D. h. die EMPT-Energie muss so aufgeteilt werden, dass die Litzen im Litzenleiter 1 an der Kontaktstelle miteinander verbunden werden (Kompaktierung) und eine Verbindung zur Kontaktierungsoberfläche des Flachleiters 2a gewährleistet wird. EEMP-Magnetfeld = ELitzenkompaktierung + EOberflächenverbindung
-
Bei der Verwendung von massiven Rundleitern 1 entfällt die Kompaktierung der Litzen, so dass eine verbesserte bzw. einfachere Verbindung zum Flachleiter 2a erreicht werden kann: EEMP-Magnetfeld = EOberflächenverbindung
-
Bei der Ausformung des Flachleiters 2a auf den Rundleiter 1 kann neben der primären Verbindung auch eine gewollte Formgebung des Flachleiters 2a realisiert werden.
-
In 2 ist eine typische Vorrichtung zur Verbindung von Litzenleiter 1 mit einem Flachleiter 2a dargestellt. Ein Werkzeug 3 mit einer halbkreisförmigen Vertiefung 3a dient zur Aufnahme des Litzenleiters 1. In Richtung R wird der Flachleiter 2a durch die elektromagnetischen Kräfte der vorgenannten Entladevorrichtung beschleunigt und verdichtet beim Aufprall auf den Litzenleiter 2a diesen und stellt einen guten elektrischen Kontakt und stoffschlüssigen mechanischen Kontakt von Litzenleiter 1 zu Flachleiter 2a und auch zwischen den Litzen her.
-
Durch die Dimensionierung der Vertiefung 3a mit einer Breite B und einer Tiefe T mit einem kleineren Querschnitt als der des Litzenleiters 1 füllt der Litzenleiter 1 die Vertiefung bei hergestellter Verbindung in verdichteter Form vollständig aus. In einem weiteren Schritt wird der Flachleiter 2a mit aufgebrachtem Litzenleiter 1 dem Werkzeug 3 entnommen und kann weiterverarbeitet werden.
-
Das Werkzeug 3 ist im Bereich der Vertiefung 3a oberflächenbeschichtet, um nach dem Verformungsvorgang den Litzenleiter 1 beschädigungslos aus der Vertiefung 3a zu lösen und für einen erneute Verbindung zur Verfügung zu stellen.
-
In den 3 bis 6 sind weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Werkzeugs 3 gezeigt, wobei die Vertiefung 3a als Trogform (3), als Trapezform (4), als Halbkreisform mit zwei anschließenden kleineren Vertiefungen 10 (5) oder Halbkreisform mit Dorn 15 (6) ausgebildet ist. Nach dem Verformen ergeben sich entsprechend der Form und Dimensionierung der Vertiefung 3a unterschiedliche Litzenleiterformen und ggf. Verformungen des Flachleiters 2a.
-
Die Verbindung zwischen Litzenleiter 1 und Flachleiter 2a nach 3 hat durch die steilen Seitenwände der Vertiefung eine Verdichtung des Litzenleiters auf drei Seiten bewirkt, jedoch im Vergleich zu 2 mit verringerter Kontaktfläche zum Flachleiter 2a. Die Verbindung nach 4 hat eine breite Kontaktfläche und eine trapezförmige Form des Litzenleiters 1. Eine breite Kontaktfläche bewirkt auch das Werkzeug nach 5, wobei die Litzenleiterform halbkreisförmig ist und die Vertiefungen 10 zwei Verformungen des Flachleiters 2a bewirkt haben, die als seitlicher mechanischer Schutz für den Litzenleiter 1, Versteifung oder Führungsschiene beim weiteren Verbau des Flachleiters 2a genutzt werden.
-
Durch die Nutzung eines Dorns 15, der auf den Mittelpunkt des Halbkreises ausgerichtet ist, beim Werkzeug nach 6 wird nicht nur auf den Kontaktflächen zum Werkzeug 3 und Flachleiter 2a, sondern auch im Kern des Litzenleiters 1 eine Verdichtung des Litzenleiters 1 bewirkt. Der Dorn 15 ist dabei entweder als rotationssymmetrischer Sporn bei kurzen Verbindungsstellen oder als längere entlang der Vertiefung parallel zum Litzenleiter 1 verlaufende Kante ausgebildet. Ist der Dorn 15, wie in 6, so dimensioniert, dass sein Volumen die Differenz zwischen Volumen des Litzenleiters 1 und der Vertiefung 3a (ohne Dorn) übersteigt, wird der Flachleiter 2a im Bereich des Kontakts leicht verformt.
-
Sind mehrere Rundleiter mit dem zweiten Leiter zu verbinden, dann eignet sich die Ausführungsform nach 7. Die Vertiefung 3a dient zur gleichzeitigen Aufnahme zweier Leiter 1, 4 und ist so dimensioniert, dass der Querschnitt der Vertiefung geringer ist als die Summe der Querschnitte beider Leiter 1, 4. Dadurch werden beide Leiter 1, 4 verdichtet und sowohl untereinander als auch mit dem Flachleiter 2a verbunden. Alternativ können jedoch zwei getrennte Vertiefungen für diesen Zweck vorgesehen sein.
-
Um ein eventuelles Ausreißen oder Spleißen von Litzen während des Verdichtungsvorganges zu vermeiden, kann eine offene oder geschlossene Aderendhülse, Hülse oder Crimphülse verarbeitet werden, siehe 8. Der Litzenleiter 1 wird in eine offene Hülse 5 eingesteckt und anschließend der Verdichtungs- und Verbindungsvorgang mittels magnetischer Umformtechnik nach 1 und 2 durchgeführt.
-
Wird anstelle des Flachleiters ein Beschleunigungswerkzeug 6 eingesetzt, können zwei oder mehr Rund- oder Litzenleiter über das magnetische Umformverfahren direkt miteinander verbunden werden, siehe 9a bis 9d. Das Beschleunigungswerkzeug 6, sowie das Gegenwerkzeug 7 sind in diesem Fall entsprechend der oben angegebenen Dimensionierung als einbettende Werkzeuge ausgeführt. Auch werden lokale Verdichtung und Verbindung der beiden Rund- bzw. Litzenleiter an der Kontaktstelle 8, die die Verformungszone beider Leiter ist, kombiniert. Das Beschleunigungswerkzeug 6 besteht aus einem metallischen Material und wird zusammen mit dem eingelegten Litzenleiter 1 in Richtung R zum zweiten Leiter 2a, hier ebenfalls ein Litzenleiter 2a unter dem Einfluss des elektromagnetischen Feldes beschleunigt. Im Bereich der Verformungszone 8 werden beide Leiter 1, 2a stoffschlüssig verformt und greifen stoffschlüssig ineinander. Dies führt auch zu einem zuverlässigen elektrischen Kontakt. 9d zeigt die zwei Leiter 1, 2a über dem Gegenwerkzeug 7 im Draufblick.
-
Mit Hilfe des Beschleunigungswerkzeuges 6 können Rundleiter und insbesondere Litzenleiter aufgrund der großen Energien beim EMPT-Verfahren zu Kontaktfahnen verdichtet werden. In den 10a bis 10c ist exemplarisch der Prozess dargestellt. Beschleunigungswerkzeug 6 und Gegenwerkzeug 7 weisen trapezförmige Vertiefungen auf. Sie verdichten einen Rundleiter 1 mit Isolation 12 im entisolierten Bereich ihres Aufeinandertreffens und verpressen sie in die Form einer Kontaktfahne 9. Die Kontaktfahne 9 ist nach Entnahme aus den Werkzeugen 6, 7, siehe 10c, vorbereitet zur Verbindung mit weiteren Leitern, beispielsweise einem Flachleiter 2a, ggf. mit einem anderen Kontaktierungsfahren, zum Beispiel Ultraschallschweissen oder Verschraubung.
-
Die 11 bis 13 zeigen Varianten des Einsatzes der Erfindung für die Verbindung eines oder mehrerer Litzenleiter 1, 11 mit einem Gehäuseteil 2b oder Kabelschuh 2c. In diesen Beispielen wird jeweils ein Rundleiter 1, 11 mit einem flächigen Leiter 2b, 2c verbunden, dazu weist das die Litzenleiter 1, 11 aufnehmende Werkzeug eine entsprechende Anzahl von Vertiefungen auf.
-
Die dargestellten exemplarischen Anordnungen sind nicht nur im automobilen Bereich anwendbar, sondern auch bei anderen Anwendungen mit Aluminiumleitern oder der Nutzung von Flachleitern. Als Materialkombinationen sind prinzipiell alle stromleitenden Materialien denkbar. Vorzugsweise sind jedoch Kupfer, Aluminium oder Messing als Flachleiter und/oder im Rundleiter einzusetzen.
-
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 Nicht-Patentliteratur
-
- Dr. Ralph Schäfer, Dr. Pablo Pasquale; ”Die Elektromagnetische Puls Technologie im industriellen Einsatz”, White Paper, June 2009 [0031]
- www.pstproducts.com/html/downloads.html [0031]
