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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Litzenleiter aus Aluminium sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Litzenleiters.
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Aluminium-Litzenleiter werden insbesondere im Kraftfahrzeug-Bereich aus Gewichtsgründen häufig eingesetzt. Ein Problem bei derartigen Aluminiumlitzenleitern ist generell die Ausbildung einer Aluminium-Oxid-Schicht an der Oberfläche der einzelnen Einzeldrähte des Litzenleiters, wodurch ein unerwünschter hoher elektrischer Kontaktwiderstand ausgebildet ist.
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Dies führt zum einen zu Problemen beim Kontaktieren des Litzenleiters mit einem Kontaktelement. Gemäß der
EP 1 817 819 B1 ist zur Lösung dieses Problems vorgesehen, ein Ende des Litzenleiters mit einem Kontaktelement zu kontaktieren, in dem ein Zinnvorrat bevorratet ist.
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Ein weiteres Problem infolge der Aluminium-Oxid-Schicht ist auch die nur geringe Querstromtragfähigkeit. Hierunter wird die Fähigkeit verstanden, dass zwischen den einzelnen Einzeldrähten des Litzenleiters Strom in einer Richtung quer zur Längsrichtung des Leiters fließen kann. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn einzelne Einzeldrähte eines Litzenleiters unterbrochen sind. Bei fehlender Querstromtragfähigkeit führt dies dazu, dass insgesamt der zur Verfügung stehende Leiter-Nennquerschnitt dadurch deutlich reduziert wird.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Aluminium-Litzenleiter sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Litzenleiter mit mehreren Einzeldrähten, wobei diese einen Aluminiumkern mit einer direkt darauf angebrachten Zinnschicht aufweisen.
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Für den Litzenleiter werden daher direkt verzinnte Einzeldrähte aus Aluminium herangezogen. Durch diese Maßnahme wird effektiv die Ausbildung einer Aluminium-Oxid-Schicht an der Oberfläche der Einzeldrähte vermieden. Die Direktbeschichtung des Aluminiumkerns hat sich als besonders vorteilhaft und zweckmäßig herausgestellt, um eine gute kontinuierliche Schicht zu erzielen.
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Der Vorteil gegenüber beispielsweise kupferplattierten Leitern, bei denen auf einem Aluminiumkern Kupferschichten aufgewalzt sind besteht darin, dass durch das Direktverzinnen eine im Vergleich zu kupferplattierten Aluminiumdrähten verbesserte Prozesssicherheit erzielt ist. Bei kupferplattierten Aluminiumdrähten ist das erforderliche Nahtschweißen häufig nicht ausreichend homogen, so dass Mikrorisse auftreten und das Risiko eines Salzwassereintritts besteht.
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Alternativ besteht auch noch die Möglichkeit, Aluminiumdrähte galvanisch zu vernickeln und zusätzlich zu verzinnen. Dieses Zweischichtverfahren ist jedoch im Vergleich zu dem Direktverzinnen vergleichsweise aufwendig.
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Durch das Direktverzinnen ist daher ein kostengünstiges Verfahren angegeben, welches zuverlässig eine homogene Zinnschicht auf dem Aluminiumkern gewährleistet. Dadurch ist insbesondere eine hohe Querstromtragfähigkeit gegeben, da die störenden Aluminium-Oxid-Schichten vermieden sind. Darüber hinaus ist auch die Kontaktierung vereinfacht, da die verzinnten Oberflächen in einfacher Weise zur Kontaktierung herangezogen werden können. Selbst bei einem Ablängen des Drahtes bestehen keine Probleme, da allenfalls an den Stirnflächen Aluminium-Oxid-Schichten sich ausbilden.
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Insgesamt wird durch das Direktverzinnen eine mit Kupfer vergleichbare Querstromtragfähigkeit erreicht. Weiterhin ist bei erhöhten Temperaturen und häufigen Biegewechseln die Gefahr einer Reibkorrosion verringert. Insgesamt zeigen daher derartige Litzenleiter daher gute Alterungsbeständigkeit.
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Zweckdienlicherweise weist dabei die Zinnschicht eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 10 µm und insbesondere im Bereich von 3 bis 5 µm auf. Diese vergleichsweise dünne Schicht ist bereits ausreichend, um eine homogene, kontinuierliche und geschlossene Zinnschicht auszubilden. Zweckdienlicherweise handelt es sich bei der Zinnschicht um eine Zinnlegierung. Durch diese ist eine gute Anbindung an das Aluminium erreicht. Zweckdienlicherweise handelt es sich dabei um eine Zinn-Zink-Legierung. Der Zinkanteil liegt dabei insbesondere im Bereich zwischen 10 bis 30 Gew.%. Bevorzugt liegt der Zinkanteil bei etwa 20 Gew.%. Die verbleibenden Anteile sind durch Zinn gebildet.
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Um eine möglichst gute Anbindung des Zinns an das Aluminium zu erzielen, ist die Zinnschicht in bevorzugter Ausgestaltung mittels Feuerverzinnen aufgebracht. Hierbei wird also der Aluminiumkern durch ein schmelzflüssiges Zinnbad mit dem schmelzflüssigen Beschichtungsmaterial geführt. Dieser Prozess lässt sich vorzugsweise einfach in herkömmliche Prozessstraßen zur Herstellung von Litzenleitern integrieren.
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Daneben bietet das Feuerverzinnen auch den besonderen Vorteil, dass sich zwischen Aluminiumkern und Zinnschicht eine intermetallische Phase als Zwischenlegierungsschicht ausbildet. Der Litzenleiter weist entsprechend auch in bevorzugter Ausgestaltung eine solche Zwischenlegierungsschicht zwischen dem Aluminiumkern und der Zinnschicht auf. Über diese Zwischenlegierungsschicht ist eine sehr gute Anbindung der Zinnschicht an den Aluminiumkern dauerhaft gewährleistet. Durch die bei dem Feuerverzinnungsverfahren ausgebildete Zwischenlegierungsschicht wird nämlich insbesondere die Diffusion des Aluminiums durch die Beschichtung eingeschränkt. Dies ermöglicht nicht zuletzt auch die vergleichsweise dünne Schichtdicke.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist an den Litzenleiter ein Kontaktelement mit vorzugsweise verzinnter Oberfläche angeschlossen. Bei dem Kontaktelement handelt es sich üblicherweise um ein Kontaktelement bestehend aus Kupfer mit einer zumindest in einem Kontaktierungsbereich aufgebrachten Zinnschicht. Durch die Verwendung eines derartigen Kontaktelements mit verzinnter Oberfläche ist ein sehr guter elektrischer Kontakt zwischen Kontaktelement und Leiter erzielt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kontaktelement um ein Crimp-Kontaktelement. Es kann daher auf herkömmliche Prozesstechnologien wie bei herkömmlichen Kupfer-Leitern zurückgegriffen werden. Dadurch lassen sich derartige Aluminium-Litzenleiter in einfacher Weise auf herkömmlichen Anlagen verarbeiten.
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Zweckdienlicherweise ist dabei zwischen dem Kontaktelement und dem Litzenleiter ein stoffschlüssiger Kontakt ausgebildet. Vorzugsweise erfolgt dies bei der Verwendung eines Crimp-Kontaktelements zusätzlich zum Crimpen. Der stoffschlüssige Kontakt wird dabei zweckdienlicherweise durch Löten ausgebildet. Der derartige stoffschlüssige Kontakt ist in einfacher Weise aufgrund des vorverzinnten Kontaktelements und der Zinn-Schicht des Aluminium-Litzenleiters ermöglicht. Insgesamt ist dadurch neben einer guten Querstromtragfähigkeit auch ein zuverlässiges und sicheres Kontaktieren des Leiters an einem Kontaktelement erreicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen elektrischen Litzenleiters mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Dabei wird zur Ausbildung der Einzeldrähte zunächst jeweils ein Aluminiumkern bereitgestellt, auf den unmittelbar eine Zinn-Schicht aufgebracht wird. Diese verzinnten Einzeldrähte werden anschließend zum Litzenleiter miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verseilt. Das Aufbringen der Zinnschicht auf die einzelnen Drähte erfolgt dabei vorzugsweise durch ein Feuerverzinnen.
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Dieses Feuerverzinnungsverfahren erfolgt dabei zweckdienlicherweise in einem kontinuierlichen Durchlaufverfahren, bei dem die Einzeldrähte durch ein Zinn-Bad, vorliegend durch ein Zinn-Zink-Bad mit einem Zink-Anteil von 20 % durchgezogen werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird zur Unterstützung des Verzinnungsprozesses Ultraschall mit aufgebracht, beispielsweise über eine Ultraschallsonde in das Zinn-Bad eingekoppelt.
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Insgesamt ist dieser Prozess zweckdienlicherweise in einem Inline-Prozess zur üblichen Herstellung eines Litzenleiters eingebunden. Speziell folgt der Verzinnungsschritt dabei nach einem Drahtzieh-Schritt, bei dem aus einem Aluminium-Rohdraht der Aluminiumkern mit gewünschtem Kerndurchmesser gezogen wird. Insgesamt ist daher das Verzinnen in einem kontinuierlichen Herstellungsvorgang eingebettet. Nach dem Verzinnen werden die verzinnten Einzeldrähte einzelweise oder auch bereits gebündelt entweder aufgerollt oder unmittelbar einer Verlitzmaschine zugeführt.
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Schließlich wird so erhaltene Litzenleiter aus den einzelnen verzinnten Aluminiumdrähten noch von einem Isolationsmantel zur Ausbildung einer isolierten Ader oder auch einer Mantelleitung aufgebracht. Hierzu wird der Mantel typischerweise in einem Extrusionsverfahren aufgebracht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen:
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1 Eine Querschnittsdarstellung einer elastischen Ader mit einem Litzenleiter,
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2 eine Querschnittsdarstellung eines Einzeldrahtes des Litzenleiters mit Aluminiumkern und Zinnschicht,
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3 eine ausschnittsweise Seitendarstellung der Ader an der ein Kontaktelement angeschlagen ist, sowie
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4 eine vereinfachte Ablaufdarstellung eines Prozesses zur Herstellung eines derartigen Litzenleiters.
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In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Eine in 1 dargestellte Ader 1 weist einen Litzenleiter 2 mit einer Mehrzahl von Einzeldrähten 4 auf, welche im Ausführungsbeispiel zu einem Verseilverbund miteinander verseilt sind. Im Ausführungsbeispiel sind insgesamt sieben Einzeldrähte 4 miteinander verseilt (1-6-Verseilung). Der Verseilverbund ist insgesamt noch von einem Isolationsmantel 6 umgeben. Bei den Einzeldrähten 4 handelt es sich um verzinnte Aluminiumdrähte, welche durch einen massiven Aluminiumkern 8 mit einer darauf angebrachten Zinnschicht 10 gebildet sind. Wie insbesondere aus der 2 hervorgeht, weist dabei der Aluminiumkern 8 einen Kerndurchmesser d auf, welcher bei den hier in Frage stehenden Leitungen typischerweise im Bereich von einigen Zehntelmillimetern liegt, beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 und 0,5 mm, teilweise auch bis 0,8 mm.
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Die Zinnschicht 10 weist eine Dicke D auf, die im Bereich von einem Mikrometern, insbesondere im Bereich von 3 bis 5 µm liegt. Wie insbesondere aus der 2 noch zu entnehmen ist, bildet sich zwischen der Zinnschicht 10 und dem Aluminiumkern 8 eine intermetallische Phase, also eine Zwischenlegierungsschicht 12 aus. Dies ist bedingt durch das Herstellverfahren zur Ausbildung der Zinnschicht 10, wozu insbesondere ein Feuerverzinnungsverfahren herangezogen wird.
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Die hier dargestellte Ader 1 dient insbesondere zur Verwendung im Automobilbereich. Mehrere derartige Adern 1 werden üblicherweise zu einer Leitung, beispielsweise eine Mantelleitung zusammengefasst. Bevorzugt werden hier bei sogenannte Leitungen oder Adern mit reduzierter Mantelwandstärke eingesetzt. Derartige Leitungen sind unter den Bezeichnungen „FLR-“ oder auch „FLU-Leitungen“ etc. bekannt. Weiterhin handelt es sich vorzugsweise um kompaktierte Adern, bei denen also der Verseilverbund aus den Einzeldrähten 4 kompaktiert ist, so dass der Durchmesser reduziert ist. Insgesamt wird dadurch zweckdienlicherweise ein möglichst runder und homogener Litzenaufbau erzielt.
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Im Ausführungsbeispiel sind insgesamt sieben Einzeldrähte 4 dargestellt. Diese weisen beispielsweise einen Einzeldurchmesser vorzugsweise im Bereich lediglich von 0,15 bis 0,3 mm auf. Grundsätzlich können auch deutlich mehr Einzeldrähte zum Verseilverbund zusammengefasst sein. Dies hängt von dem jeweiligen Einsatzgebiet ab.
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In 3 ist schließlich eine derartige Leitung 1 mit einem daran angeschlossenen Kontaktelement 14 dargestellt. Hierzu wird ein Endbereich der Ader 1 abisoliert, so dass der Litzenleiter 2 freigelegt ist. Bei dem Kontaktelement 14 handelt es sich insbesondere um ein Crimpkontaktelement. Dieses besteht vorzugsweise aus Kupfer und weist eine Zinn-Beschichtung auf. Nach dem mechanischen Vercrimpen des Kontaktelements 14 erfolgt zweckdienlicherweise noch ein nachgeschalteter Lötprozess zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Litzenleiter 2 und dem Kontaktelement 14. Durch die gleichartigen Oberflächen des Kontaktelements 14 und des Litzenleiters 2 ist dies in einfacher Weise beispielsweise durch einen Widerstandslötprozess ermöglicht. Durch diese Maßnahme ist die heute sehr kritische Korrosionsempfindlichkeit bei der Kombination eines Aluminiumleiters mit einem anderen Material, beispielsweise mit einem Kupferkontaktelement aufgrund der gleichartigen Oberflächen von Litzenleiter 2 und Kontaktelement 14 deutlich reduziert. Dies erlaubt, dass für Trockenraumanwendungen zusätzliche Dichtmaßnahmen im Bereich des Kontaktelements entfallen können.
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Darüber hinaus ist durch diese Maßnahme das Reibkorrosionsrisiko durch den Einsatz der verzinnten Oberfläche deutlich verringert. Diese erlaubt insgesamt die Ausbildung von langzeitstabilen Kontaktierungen, wodurch insgesamt eine Qualitätssteigerung erzielt wird. Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich mit den Vibrationen während des normalen Betriebs ist das von besonderer Bedeutung. Darüber hinaus sind im Vergleich zu herkömmlichen Crimpprozessen auch die Toleranzanforderungen reduziert, da vorliegend für eine zuverlässige elektrische dauerhafte Kontaktierung kein Kaltschweißvorgang mehr erforderlich ist, welcher eine hochgenaue Positionierung der Schweißpartner in engen Toleranzen erfordert.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Leitung ist auch darin zu sehen, dass die heute üblichen Verbinder, sogenannte Inline-Splices, zur Verbindung zweier Leitungen prozesssicher und in einfacher Weise eingesetzt werden können. Insbesondere können diese direkt gelötet werden. Alternativ können sie auch an die zu verbindenden Enden über eine Crimplösung angeschlagen werden.
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Zur Herstellung des Litzenleiters 2 werden zunächst die Einzeldrähte 4 bereitgestellt. Zum Verzinnen der Aluminiumkerne 8 werden diese dabei jeweils durch ein Zinn-Zink-Bad mit 20 % Zinkanteil hindurchgeführt. Ergänzend wird dieses Feuerverzinnen durch Ultraschall unterstützt. Dadurch wird eine homogene, kontinuierliche geschlossene Zinnbeschichtung 10 aus dem Aluminiumkern aufgebracht.
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Dieses Feuerverzinnen ist dabei zweckdienlicherweise in einem Inline-Prozessverfahren zur Herstellung der Ader 1 integriert. Zunächst wird im Verfahrensschritt A) ein Aluminium-Rohdraht bereitgestellt, welcher auf den gewünschten Enddurchmesser im Prozessschritt B) durch ein normales Drahtziehverfahren gezogen wird. Dabei wird also der Aluminiumkern 8 als Aluminiumdraht mit gewünschtem Nennquerschnitt beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm ausgebildet. Anschließend werden diese Aluminiumkerne 8 im Prozessabschnitt C durch das Zinn-Zink-Bad kontinuierlich im Durchlaufverfahren hindurchgezogen, so dass die zinnbeschichteten Einzeldrähte 4 ausgebildet werden. Im daran anschließenden Prozessschritt D) erfolgt dann die Ausbildung des Litzenleiters 2. Hierzu werden mehrere der verzinnten Einzeldrähte 4 beispielsweise einer Verlitz- oder Verseilmaschine zugeführt und miteinander verseilt.
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Zweckdienlicherweise erfolgt nunmehr anschließend im Prozessschritt E) noch die Mantelextrusion zur Aufbringung des Isolationsmantels 6 auf den zuvor ausgebildeten Litzenleiter 2. Sämtliche Prozessschritte werden dabei vorzugsweise in einem kontinuierlichen Verfahren ohne Unterbrechung durchgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leitung
- 2
- Litzenleiter
- 4
- Einzeldrähte
- 6
- Isolationsmantel
- 8
- Aluminiumkern
- 10
- Zinnbeschichtung
- 12
- Zwischenlegierungsschicht
- 14
- Kontaktelement
- d
- Kerndurchmesser
- D
- Dicke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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