WO2018024784A1 - ELEKTRISCHE VERBINDUNGSANORDNUNG MIT ABREßISICHERUNGSFUNKTION - Google Patents

ELEKTRISCHE VERBINDUNGSANORDNUNG MIT ABREßISICHERUNGSFUNKTION Download PDF

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electrical connection
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contact
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Volker Geitner
Patrick Limmer
Anna Regensburg
René Schürer
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Electronicon Kondensatoren GmbH
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    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B23K2101/38—Conductors

Definitions

  • the invention relates to an electrical connection arrangement with tear-off function, in particular for capacitors or the like electrical or electronic components, wherein the compound consists of a stiff, wire-shaped, first and a thin-walled, band or strip-like, sheet-like or foil-shaped, second connecting element and between the first and the second connection element is present at a contact and connection point according to the preamble of claim 1.
  • a shutdown protection is proposed, which is characterized by the fact that the heat loss generated in it remains small and that at lower switching power at the same time a safe shutdown of the network is possible. This is achieved in that the shutdown protection formed from conductor material of a sheet-shaped and up to a required
  • Cross section of the current is formed according to cut strips, wherein a partial strip is bent by 180 °, that this under tensile load due to an overpressure in the condenser of a
  • the capacitor winding and the outer terminals strip or band-shaped conductor used which are applied at the level of the upper contact layer on both sides on a protruding insulating support and can be guided as a strip conductor to the outer terminals.
  • connections to the band-shaped conductors are provided at right angles threaded threaded contact pieces.
  • a predetermined breaking point for example in the form of a notch or a punched hole is introduced in the band-shaped conductor.
  • a compressed bead which opens at pressure and thus causes a housing extension and the tearing off of the relevant conductor.
  • the relevant outstanding end of the tear-off wire is bent in one embodiment and squeezed in another variant.
  • the so-called friction stir welding is a process in which the process heat and the necessary pressure is generated by a tool by rotation.
  • the tool consists of a rotating pin on which a pin can be centrally mounted.
  • the pin is usually shorter than the material thickness to be welded and is pressed in rotation into the abutting surfaces of the workpieces. The same are fastened against each other and on a support to the
  • the connection should have a high current carrying capacity and thus pulse current resistance on the one hand and on the other hand with the application of defined forces a safe achievement of the desired tear function is possible.
  • a thermally induced destruction of the electrical connection for example, if there is a high pulse current load in the capacitor as a result of short circuits, should be prevented.
  • the invention has the task, the contradiction between a high
  • a further problem to be solved according to the invention is that the electrical connection arrangement starts from a stiff, wire-shaped, first connection element which is to be contacted with a second connection element which, in contrast, is thin-walled, band-shaped or strip-shaped or sheet-shaped or foil-shaped.
  • the elements to be joined have completely different properties with respect to their stability, which meant that in the prior art usually large-area solder joints between the wire-shaped conductor and the band-shaped connection strip were realized and the conductor mentioned above notch was formed with tear function, with the disadvantage the resulting Stromengstelle.
  • the invention is therefore based on an electrical connection arrangement with a tear-off function, in particular for capacitors or similar electrical or electronic components.
  • the connection comprises a first, rigid, wire-shaped connecting element and a second, band-like or strip-like, sheet-like or foil-shaped, thin-walled second
  • the contact and connection point is realized by friction stir welding, wherein the friction stir welding connection region forms a mechanical breakaway protection with a defined pull-off force and high pulsed current carrying capacity.
  • a first basic idea is therefore the application of the known friction stir welding for the formation of an electrical connection arrangement with anti-tearing function, wherein according to the further inventive concept, the actual friction stir welding connection represents the tear-off.
  • the thus created current-carrying connection between the wire-shaped conductor on the one hand and band-shaped conductor on the other hand is particularly useful and advantageous for high-performance capacitors.
  • the friction friction spot welding is suitable as a result of extensive experiments.
  • the first connecting element is with a
  • the attachment of the joining partners takes place so that the surface of the second connecting element, that is the band or
  • strip-shaped or sheet-like or foil-shaped part is arranged to the front side of the wire and an overlap is provided.
  • the resulting lap joint is then joined by the inserted rotary friction tool, which predominantly dips into the second connecting element.
  • cavities may be provided on the end face of the necessary tool to allow a wire projection via a bore or recess in the sheet-metal joining partner, that is, the second connecting element, and thus protruding Provide material in addition to plasticizing and on the
  • the rotating friction welding tool acts on the free surface of the second connecting element opposite the end face of the first connecting element.
  • connection element does not have any current points outside the contact and connection point, as is required in the prior art in order to accomplish a tear-off function.
  • the ratio between the diameter of the first connecting element, that is, of the wire, and the thickness of the second connecting element, that is the band or the film in the range of 5: 1 to 20: 1.
  • the diameter of the first connecting element is in the range of 1.5 to 3 mm and the thickness of the second connecting element is in the range of 0.1 to 0.5 mm.
  • the diameter of the first connecting element is in the range of 1.5 to 3 mm and the thickness of the second connecting element is in the range of 0.1 to 0.5 mm.
  • the second connecting element to a reduced width.
  • This may be a tapered taper in conjunction with a defined radius of curvature or the formation of a tip.
  • FIG. 1 and Fig. 2 are perspective views of a known
  • Fig. 3 is a schematic representation of the invention
  • Figure 4 is a photorealistic representation of the top view of the contact and connection point, viewed from the wire side, that is, from the side of the first connecting element;
  • Figure 5 is a view similar to that of Figure 4, but from the bottom, that is, from the side on which the Reibsch spatechnikmaschine acts.
  • Fig. 6 shows a microsection of the connection point
  • Fig. 7 is a side view and a plan view of
  • Figs. 1 and 2 show a basic construction of an electrical connection assembly with Abr predominantlytechnischsfunktion, as they
  • the electrical connection arrangement with anti-tearing function shown in FIGS. 1 and 2 is based on a stiff, wire-shaped first connecting element 1 and a thin-walled, strip-like or sheet-like, second connecting element 2.
  • Connecting element 1 a pinch 4 or a notch or punched 5 realized.
  • a destructive process takes place under the action of mechanical force, so that the electrical safety function is provided.
  • the pinch 4 and the punch 5 has at appropriate
  • connection arrangement according to the invention according to FIG. 3 in turn, a first connection element 1 in the form of a wire and a second connection element 2 in the form of a strip are assumed.
  • Connecting elements 1; 2 consist of a copper material.
  • the diameter of the wire, that is, the first connecting element 1, at 2 mm and the thickness of the copper strip, that is, the second connecting element 2, is about 0.3 mm.
  • the actual contact and connection point 6 is executed or obtained by friction welding. In this regard, with a suitable tool with clamping of the second connecting element 2 and secured feeding of the first connecting element 1, this is positioned vertically with an end face under projection.
  • the supernatant is for example 0.1 mm to an adjustment of the plasticized material to the intended rounding bevel to
  • the clamping of the band-shaped connecting element 2 is as close as possible to the corresponding tool in order to minimize undesired deformation.
  • a tool in a ball-like manner can be easily used, which performs a rotational movement counter to the cutting direction.
  • the speed here reaches from 2000 to 3000 rpm and can go up to the range of 5000 rpm.
  • An exemplary immersion feed is in the range of 10 to 200 mm per minute with an immersion depth of 0.1 to 0.5 mm each after tool execution.
  • the process force also ranges between 150 and 2000 Newton.
  • FIG. 4 shows a view comparable to the drawing of FIG. 3 as a view of the connecting parts between the stiff, wire-shaped first connecting element and the band-shaped, thin, second connecting element.
  • the preferred geometry in the region of the contact and connection point 6 can be seen.
  • the angle between the resulting quasi triangular legs according to FIGS. 4, 5 and 7 is approximately 60 °.
  • the area of this joint represents the mechanical breakaway, which has the necessary pulse current carrying strength, as confirmed by extensive experiments.
  • Fig. 7 shows an exemplary embodiment of the invention
  • the first connection element 1 is assumed to be tinned copper wire having a diameter of substantially 2 mm.
  • the exemplary length of the wire is 60 mm.
  • the tinned copper wire is connected as shown in FIG. 7 with a free end face via a Reibsch dotress with the surface of a copper strip as the second connecting element 2.
  • the thickness of the copper strip is, for example, 0.3 mm.
  • the width of the copper strip as the second connecting element 2 is chosen according to the embodiment with 10 mm, wherein in the actual region of the contact and connection point 6, the copper strip terminates at an acute angle and has a radius of curvature R2.
  • the angle enclosed by the acute-angled limbs is for example 60 °.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktionen, insbesondere für Kondensatoren oder dergleichen elektrischer oder elektronischer Bauelemente, wobei die Verbindung aus einem steifen, drahtförmigen, ersten sowie einem dünnwandigen, band- oder streifenförmigen, blech- oder folienförmigen, zweiten Verbindungselement besteht sowie zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungselement an einer Kontakt- und Verbindungsstelle Stoffschluss vorliegt, wobei die Kontakt- und Verbindungsstelle durch Rührreibschweißen realisiert ist und der Rührreibschweißverbindungsbereich eine mechanische Abreißsicherung mit definierter Abreißkraft und hoher Impulsstromtragfähigkeit bildet.

Description

Elektrische Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion, insbesondere für Kondensatoren oder dergleichen elektrische oder elektronische Bauelemente, wobei die Verbindung aus einem steifen, drahtförmigen, ersten sowie einem dünnwandigen, band- oder streifenartigen, blech- oder folienförmigen, zweiten Verbindungselement besteht sowie zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungselement an einer Kontakt- und Verbindungsstelle Stoffschluss vorliegt gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der DE 213 092 AI sind elektrische Kondensatoren auch großer
Blindleistung vorbekannt, welche ein Abschaltelement besitzen. Gemäß der dortigen Aufgabe wird eine Abschaltsicherung vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass die in ihr erzeugte Verlustwärme klein bleibt und dass bei geringerer Schaltkraft gleichzeitig ein sicheres Abschalten vom Netz möglich ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die aus Leitermaterial gebildete Abschaltsicherung aus einem blechförmigen und bis zu einem erforderlichen
Querschnitt der Stromstärke entsprechend eingeschnittenen Streifen gebildet ist, wobei ein Teilstreifen so um 180° gebogen wird, dass dieser bei Zugbelastung infolge eine Überdruckes im Kondensator einer
Abtrennung unterliegt, so dass gleichzeitig der defekte Kondensator von der Spannungsquelle getrennt wird.
Beispielsweise aus der DD 114 165 AI ist das Grundprinzip von
Abreißsicherungen vorbekannt, bei welchen auf eine Sollbruchstelle mit vermindertem Querschnitt eingegangen wird, der durch Quetschen oder Abtragen eines Teiles der Querschnittsfläche eines Leiters erzielt wird.
Nachteilig ist bei derartigen Sollbruchstellen die Tatsache, dass durch die Querschnittsverminderung eine Stromengstelle entsteht, die eine Widerstandserhöhung und damit zusätzliche Stromwärmeverluste zur Folge hat.
Bei dem elektrischen Kondensator mit niedriger Eigeninduktivität nach DD 264 781 AI werden als Verbindungselemente zwischen
dem Kondensatorwickel und den äußeren Anschlüssen streifen- oder bandförmige Leiter verwendet, die in Höhe der oberen Kontaktschicht beidseitig auf einem überstehenden Isolationsträger aufgebracht sind und so als Bandleiter zu den äußeren Anschlüssen führbar sind. Als Anschlüsse an die bandförmigen Leiter dienen rechtwinkelig angesetzte mit Gewinde versehene Schaltstücke. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß DD 264781 AI ist eine Überdruck-Abreißsicherung realisiert, wobei hierfür in dem bandförmigen Leiter eine Sollbruchstelle, zum Beispiel in Form einer Kerbe oder eines gestanzten Loches eingebracht ist. Im Kondensatorbecher befindet sich eine gestauchte Sicke, die sich bei Überdruck öffnet und so eine Gehäuseverlängerung und das Abreißen des betreffenden Leiters bewirkt.
Bei dem Kondensator mit Abreißsicherung nach CH 472103 ist der
Abreißdraht an seinem aus dem Kondensatorgehäusedeckel herausragenden Ende derartig verformt, dass das herausragende Drahtende bei einer Streckung des Gehäuses vom Deckel mitgenommen wird.
Das betreffende herausragende Ende des Abreißdrahtes ist bei einer Ausführungsform abgebogen und bei einer weiteren Variante gequetscht.
Bekannt sind weiterhin Lösungen zum Schweißen von Kupfer und
Kupferlegierungen. Dabei ist das sogenannte Rührreibschweißen ein Verfahren, bei dem die Prozesswärme und der notwendige Druck von einem Werkzeug durch Rotation erzeugt wird. Das Werkzeug besteht aus einem rotierenden Zapfen, an dem ein Stift zentrisch befestigt sein kann. Der Stift ist üblicherweise kürzer als die zu verschweißende Materialdicke und wird rotierend in die Stoßflächen der Werkstücke gedrückt. Selbige werden gegeneinander und auf einer Unterlage befestigt, um die
wirkenden Kräfte aufzunehmen. Ähnlich wie beim Reibschweißen wird der Werkstoff aufgrund der entstehenden Reibungswärme plastifiziert und dann vom Werkzeug nach oben und außen transportiert. Durch die Unterlage und die Stirnfläche des Werkzeugzapfens bleibt das Schweißgut im Stoß eingeschlossen und bildet die Schweißnaht. Mit einem derartigen Verfahren sind sowohl linien- als auch punktförmige Verbindungen im Stumpf- und Überlappstoß möglich. Ein Werkzeug zum Herstellen derartiger Reibschweißverbindungen ist beispielsweise in der DE 10 2012 112413 AI offenbart. Mit dem vorbekannten Werkzeug kann eine Reibschweißverbindung zwischen einem Draht und dem Substrat realisiert werden, wobei zusätzlich die Anwendung von Ultraschallenergie erforderlich ist. Nach der Verformung und zu Beginn oder während des Ausführens der Ultraschallbiegeschwingungen liegt hier eine Kontakthilfsfläche, welche zum Zeitpunkt des Aktivierens der Ultraschallquelle den Draht nicht berührt, infolge einer weiteren
Verformung des Drahtes und/oder einer weiteren Absenkung des
Werkzeuges in Richtung des Substrats an dem Draht an. Hierdurch soll die Verbindungsqualität und somit das Ergebnis der Reibschweißung verbessert werden.
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte elektrische Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungs- funktion, insbesondere für Kondensatoren oder dergleichen elektrischer oder elektronischer Bauelemente anzugeben, wobei die Verbindung zum einen eine hohe Stromtragfähigkeit und damit Impulsstromfestigkeit besitzen soll und andererseits aber mit dem Aufbringen definierter Kräfte ein sicheres Erreichen der gewünschten Abreißfunktion möglich wird. Ein thermisch bedingtes Zerstören der elektrischen Verbindung, wenn beispielsweise infolge von Kurzschlüssen eine hohe Impulsstrombelastung im Kondensator vorliegt, soll unterbunden werden. Insofern stellt sich der Erfindung die Aufgabe, den Widerspruch zwischen einer hohen
Stromtragfähigkeit und einer für die Abreißfunktion notwendigen
elektrischen Trennstelle zu sichern, andererseits aber zu gewährleisten, dass eine sichere Abreißfunktion gegeben ist, und zwar ohne dass zu hohe Kräfte auf die Trennstelle einwirken müssen oder dass die Notwendigkeit besteht, diesbezüglich kraftverstärkende Maßnahmen vorzusehen, die die Kosten für eine derartige Abreißsicherung erhöhen. Ein weiteres erfindungsgemäß zu lösendes Problem besteht darin, dass die elektrische Verbindungsanordnung von einem steifen, drahtförmigen, ersten Verbindungselement ausgeht, das mit einem zweiten Verbindungselement zu kontaktieren ist, welches hingegen dünnwandig, band- oder streifenförmig bzw. blech- oder folienförmig ist. Damit besitzen die zu verbindenden Elemente völlig unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich ihrer Stabilität, was dazu führte, dass im Stand der Technik üblicherweise großflächige Lötverbindungen zwischen dem drahtförmigen Leiter und dem bandförmigen Anschlussstreifen realisiert wurden und im Leiter die eingangs erwähnte Einkerbung mit Abreißfunktion ausgebildet wurde, mit dem Nachteil der hierdurch entstehenden Stromengstelle.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der elektrischen
Verbindungsanordnung gemäß der Merkmalskombination nach
Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Die Erfindung geht also von einer elektrischen Verbindungsanordnung mit Abreißfunktion insbesondere für Kondensatoren oder ähnliche elektrische oder elektronische Bauelemente aus. Die Verbindung umfasst ein erstes, steifes, drahtförmiges Verbindungselement und ein zweites, band- oder streifenartiges, blech- oder folienförmiges, dünnwandiges zweites
Verbindungselement. Zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungselement wird eine Kontakt- und Verbindungsstelle durch Stoffschluss geschaffen.
Erfindungsgemäß ist die Kontakt- und Verbindungsstelle durch Rührreib- schweißen realisiert, wobei der Rührreibschweißverbindungsbereich eine mechanische Abreißsicherung mit definierter Abreißkraft und hoher Impulsstromtragfähigkeit bildet.
Ein erster Grundgedanke liegt also in der Anwendung des an sich bekannten Rührreibschweißens für die Ausbildung einer elektrischen Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion, wobei gemäß dem weiteren Erfindungsgedanken die eigentliche Rührreibschweißverbindung die Abreißsicherung darstellt. Die so geschaffene stromtragfähige Verbindung zwischen drahtförmigem Leiter einerseits und bandförmigen Leiter andererseits ist insbesondere für Hochleistungskondensatoren einsetzbar und vorteilhaft.
Es besteht keine Notwendigkeit, eine mechanische Einengung zur Bildung definierter Abreißkräfte vorzusehen, so dass nachteilige Stromengstellen vermeidbar sind. Die Verbindung von Kontaktdraht mit Kupferbändchen durch Reibschweißen und die hierbei variierbaren Parameter gestatten die Möglichkeit der Schaffung ausreichend stromtragfähiger elektrischer Kontakte und als Gewährleisten reproduzierbare Ausreißkräfte des Drahtes bezogen auf die Kupferfolie bzw. das Kupferband.
Zur Ausbildung der Rührreibschweißverbindung eignet sich im Ergebnis umfangreicher Versuche insbesondere das Rührreibpunktschweißen.
In bevorzugter Weise ist das erste Verbindungselement mit einer
Stirnfläche im Wesentlichen senkrecht auf einem Oberflächenabschnitt des zweiten Verbindungselementes stehend durch das erwähnte Rührreibschweißen verbunden.
Die Anbringung der Fügepartner findet dabei so statt, dass die Oberfläche des zweiten Verbindungselementes, das heißt des band- oder
streifenförmigen bzw. blech- oder folienförmigen Teiles zur Stirnseite des Drahtes angeordnet ist und eine Überlappung vorgesehen wird. Der so entstehende Überlappstoß wird im Anschluss durch das eingesetzte rotierende Reibwerkzeug gefügt, welches überwiegend in das zweite Verbindungselement eintaucht. Im Besonderen ist wegen Fügepartnerpositionierung ein Überstand des steifen, drahtförmigen, ersten
Verbindungselementes vorzusehen, so dass zusätzliches Material
bereitsteht, um das in der Fügezone zu erwärmende und zu
transportierende Materialvolumen zu erhöhen.
Bei einer Ausführungsform können Kavitäten an der Stirnseite des notwendigen Werkzeuges vorgesehen sein, um einen Drahtüberstand über eine Bohrung oder Ausnehmung im blechförmigen Fügepartner, das heißt dem zweiten Verbindungselement, zuzulassen und somit überstehendes Material ergänzend zur Plastifizierung bereitzustellen und über die
Zustellbewegung des Werkzeuges im Bereich der Verbindungszone umzuformen und mit dem dünnwandigen, blechförmigen, ersten
Verbindungselement zu verbinden. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass mit dem Anwenden des Rührreibschweißverfahrens zur Ausbildung einer elektrischen
Verbindungsanordnung diese zwischen zwei völlig unterschiedlich geformten Kontaktelementen realisierbar ist, ohne dass das Aufschmelzen der Grundwerkstoffe oder eines Zusatzwerkstoffes erforderlich ist. Durch die Positionierung der Werkstücke, das heißt des ersten und zweiten Verbindungselementes sowie dem lokalen, reibbasierten Energieeintrag, können auch dünnwandige bzw. mechanisch gering belastbarere Bauteile gefügt werden, ohne dass es zu einer signifikanten Verformung außerhalb der eigentlichen Fügezone kommt. Darüber hinaus kann über die
Prozessführung und die resultierende Anbindungsfläche ein geforderter Festigkeitsbereich bzw. eine Vorgabe der Abreißkraft eingestellt werden.
Während des eigentlichen Reibschweißvorganges wirkt das rotierende Reibschweißwerkzeug auf die der Stirnfläche des ersten Verbindungselementes gegenüberliegende freie Oberfläche des zweiten Verbindungs- elementes ein.
Das erste Verbindungselement besitzt letztendlich außerhalb der Kontakt- und Verbindungsstelle keine Stromengstellen, wie es beim Stand der Technik erforderlich ist, um eine Abreißfunktion zu bewerkstelligen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des ersten Verbindungselementes, das heißt des Drahtes, und der Dicke des zweiten Verbindungselementes, das heißt des Bandes oder der Folie, im Bereich von 5:1 bis 20:1.
Bevorzugt liegt der Durchmesser des ersten Verbindungselementes im Bereich von 1,5 bis 3 mm und es liegt die Dicke des zweiten Verbindungs- elementes im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm. In dem Abschnitt der Kontakt- und Verbindungsstelle weist in einer
Ausbildung der Erfindung das zweite Verbindungselement eine reduzierte Breite auf. Dabei kann es sich um eine konisch verlaufende Verjüngung in Verbindung mit einem definierten Rundungsradius oder um die Ausbildung einer Spitze handeln.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf Figuren sowie fotorealistischen Darstellungen näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 und Fig. 2 perspektivische Darstellungen einer bekannten
elektrischen Verbindungsanordnung für Leistungskondensatoren mit Abreißsicherungsfunktion mit erkennbarem bandförmigem Anschlusselement in Form einer Kupferfolie, großflächigem Lötkontakt sowie einem drahtförmigen Leiter mit Quetschung (Fig. 1) und Ausstanzung (Fig. 2) zur Bildung einer Abreiß- schwächungsstelle, die gleichzeitig zu einer
nachteiligen Stromengstelle führt;
Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen
Ausbildung einer elektrischen Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion, wobei die Kontakt- und Verbindungsstelle durch Rührreibschweißen realisiert ist und der Rührreibschweißverbindungsbereich die mechanische Abreißsicherung mit definierter Abreißkraft und hoher Impulsstromtragfähigkeit bildet;
Fig.4 eine fotorealistische Darstellung der Draufsicht auf die Kontakt- und Verbindungsstelle, betrachtet von der Drahtseite, das heißt von der Seite des ersten Verbindungselementes her; Fig. 5 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 4, jedoch von der Unterseite, das heißt von der Seite aus, auf welche das Reibschweißwerkzeug einwirkt;
Fig. 6 einen Mikroschliff der Verbindungsstelle, welche
gleichzeitig die eigentliche mechanische Abreißsicherung darstellt; und
Fig. 7 eine Seitenansicht sowie eine Draufsicht der
elektrischen Verbindungsanordnung mit Kontakt- und Verbindungsstelle durch Rührreibschweißen realisiert mit beispielhaften Material- und Bemessungsangaben sowie der Geometrie des zweiten, bandförmigen Verbindungselementes im Bereich der Kontakt- und Verbindungsstelle.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine prinzipielle Ausbildung einer elektrischen Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion, wie sie
beispielsweise bei Leistungskondensatoren zum Einsatz kommt, um zu verhindern, dass bei Überlastungssituationen die Gefahr des Explodierens des Kondensators besteht, indem durch die Abreißsicherung eine
elektrische Netztrennung vorgenommen wird. Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte elektrische Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion geht von einem steifen, drahtförmigen ersten Verbindungselement 1 und einem dünnwandigen, band- oder streifenartigen, blech- oder folienförmigen, zweiten Verbindungselement 2 aus.
Im Bereich einer großflächigen Lötung 3, die durch Aufquetschen eines Endes des ersten Verbindungselementes 1 entstanden ist, liegt ein
Stoffschluss zwischen dem ersten Verbindungselement 1 und dem zweiten Verbindungselement 2 vor.
Zum Erhalt einer Abreißsicherung wird im ersten, drahtförmigen
Verbindungselement 1 eine Quetschung 4 oder eine Ausklinkung oder Ausstanzung 5 realisiert. Durch diese materialseitigen Einwirkungen und Veränderungen in der Struktur des ersten Verbindungselementes findet unter mechanischer Krafteinwirkung ein Zerstörungsvorgang statt, so dass die elektrische Sicherungsfunktion gegeben ist. Die Quetschung 4 bzw. die Ausstanzung 5 hat bei entsprechender
Impulsstrombelastung zur Folge, dass es zu einer lokalen Erwärmung aufgrund Widerstandserhöhung kommt. Dies wiederum ergibt eine
Materialschwächung mit der Folge veränderter Duktilität des Materials und einem hierdurch nicht mehr reproduzierbarem Abreißverhalten. Bei der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung gemäß Fig. 3 wird wiederum von einem ersten Verbindungselement 1 in Drahtform und einem zweiten Verbindungselement 2 in Bandform ausgegangen. Beide
Verbindungselemente 1; 2 bestehen aus einem Kupfermaterial.
Bei einem Ausführungsbeispiel liegt der Durchmesser des Drahtes, das heißt des ersten Verbindungselementes 1, bei 2 mm und die Dicke des Kupferbandes, das heißt des zweiten Verbindungselementes 2, bei etwa 0,3 mm. Die eigentliche Kontakt- und Verbindungsstelle 6 wird durch Reibschweißen ausgeführt bzw. erhalten. Diesbezüglich wird mit einem geeigneten Werkzeug mit Einspannen des zweiten Verbindungselementes 2 und gesicherter Zuführung des ersten Verbindungselementes 1 dieses senkrecht mit einer Stirnfläche unter Überstand positioniert.
Der Überstand beträgt beispielsweise 0,1 mm um eine Anpassung des plastifizierten Materials an die vorgesehene Verrundungsfase zu
gewährleisten und die Kerbwirkung in der Fügezone zu reduzieren. Die Einspannung des bandförmigen Verbindungselementes 2 erfolgt möglichst nahe am entsprechenden Werkzeug um eine unerwünschte Verformung zu minimieren. Als ein Reibschweißfügewerkzeug kann in einfacher Weise ein Werkzeug in kugelähnlicher Weise eingesetzt werden, welches entgegen der Schnittrichtung eine Rotationsbewegung ausführt. Die Drehzahl erreicht hierbei von 2000 bis 3000 U/min und kann bis in den Bereich von 5000 U/min gehen. Ein beispielhafter Eintauchvorschub liegt im Bereich von 10 bis 200 mm je Minute mit einer Eintauchtiefe von 0,1 bis 0,5 mm je nach Werkzeugausführung. Die Prozesskraft liegt ebenfalls je nach Werkzeugausführung im Bereich zwischen 150 und 2000 Newton.
Die fotorealistische Abbildung nach Fig. 4 zeigt eine Ansicht vergleichbar mit der zeichnerischen Darstellung nach Fig. 3 als Blick auf die Ver- bindungssteile zwischen dem steifen, drahtförmigen ersten Verbindungselement und dem bandförmigen, dünnen, zweiten Verbindungselement. Gleichzeitig ist die bevorzugte Geometrie im Bereich der Kontakt- und Verbindungsstelle 6 erkennbar. Diesbezüglich liegt eine konisch zugespitzte Gestalt des zweiten Verbindungselementes vor, wobei ergänzend ein Rundungsradius vorgesehen ist. Der Winkel zwischen den sich ergebenden quasi Dreiecksschenkeln gemäß Fig. 4, 5 und 7 liegt bei ca. 60°.
Die Ansicht der Verbindungsstelle von unten gemäß Fig. 5 lässt die Position des Eintrittes des Werkzeuges erkennen. Diese Senkung ist auch im M ikrosch I iff der Verbindungsstelle gemäß Fig. 6 ersichtlich.
Der Bereich dieser Verbindungsstelle stellt die mechanische Abreißsicherung dar, welche über die notwendige Impulsstrom-Tragfestigkeit verfügt, wie durch umfangreiche Versuche bestätigt wurde.
Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen
Abreißsicherung mit beispielhafter Bemaßung, die jedoch keinesfalls einschränkend zu verstehen ist.
Diesbezüglich wird beim ersten Verbindungselement 1 von einem verzinnten Kupferdraht mit einem Durchmesser von im Wesentlichen 2 mm ausgegangen. Die beispielhafte Länge des Drahtes weist 60 mm auf. Der verzinnte Kupferdraht wird gemäß Fig. 7 mit einer freien Stirnseite über eine Reibschweißverbindung mit der Oberfläche eines Kupferbandes als dem zweiten Verbindungselement 2 verbunden.
Die Dicke des Kupferbandes beträgt beispielsweise 0,3 mm. Die Breite des Kupferbandes als dem zweiten Verbindungselement 2 ist gemäß Ausführungsbeispiel mit 10 mm gewählt, wobei im eigentlichen Bereich der Kontakt- und Verbindungsstelle 6 das Kupferband spitzwinkelig ausläuft und über einen Rundungsradius R2 verfügt. Der von den spitz- winkeligen Schenkeln eingeschlossene Winkel beträgt beispielsweise 60°.
Zum Nachweis der Leistungsfähigkeit der weiterentwickelten elektrischen Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion wurden Vergleichsversuche zwischen einer klassischen Sicherung mit 2 mm Durchmessern und gekerbter bzw. gequetschter Drahtausführung mit einer 2 mm rühr- reibgeschweißten Sicherung durchgeführt.
Dabei zeigte es sich, dass unter Beachtung des Verhältnisses der
Schmelzintegrale I2t zur Anzahl der Stoßentladung bis zur Zerstörung der Sicherung die erfindungsgemäße Lösung dem Stand der Technik um den Faktor 3 bis 4 überlegen ist.

Claims

Ansprüche
Elektrische Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion, insbesondere für Kondensatoren oder dergleichen elektrischer oder elektronischer Bauelemente, wobei die Verbindung aus einem steifen, drahtförmigen, ersten (1) sowie einem dünnwandigen, band- oder streifenförmigen, blech- oder folienförmigen, zweiten (2) Verbindungselement besteht sowie zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungselement (1; 2) an einer Kontakt- und Verbindungsstelle (6) Stoffschluss vorliegt,
da d u rch geken nzeich net, dass
die Kontakt- und Verbindungsstelle (6) durch Rührreibschweißen realisiert ist und der Rührreibschweißverbindungsbereich eine mechanische Abreißsicherung mit definierter Abreißkraft und hoher Impulsstromtragfähigkeit bildet.
Elektrische Verbindungsanordnung nach Anspruch 1,
da d u rch geken nzeich net, dass
das erste Verbindungselement (1) mit einer Stirnfläche im
Wesentlichen senkrecht auf einem Oberflächenabschnitt des zweiten Verbindungselementes (2) stehend durch Reibschweißen verbunden ist.
Elektrische Verbindungsanordnung nach Anspruch 2,
da d u rch geken nzeich net, dass
während des Reibschweißvorganges das rotierende
Reibschweißwerkzeug auf die der Stirnfläche des ersten
Verbindungselementes (1) gegenüberliegenden freien Oberfläche des zweiten Verbindungselementes (2) einwirkt.
Elektrische Verbindungsanordnung nach einem der
vorangegangenen Ansprüche,
da d u rch geken nzeich net, dass
das erste Verbindungselement (1) außerhalb der Kontakt- und Verbindungsstelle (6) keine Stromengstellen aufweist. Elektrische Verbindungsanordnung nach einem der
vorangegangenen Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des ersten
Verbindungselementes (1) und der Dicke des zweiten
Verbindungselementes (2) im Bereich von 5:1 bis 20:1 liegt.
Elektrische Verbindungsanordnung nach Anspruch 5,
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
der Durchmesser des ersten Verbindungselementes (1) im Bereich von 1,5 bis 3 mm und die Dicke des zweiten Verbindungselementes (2) im Bereich zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt.
Elektrische Verbindungsanordnung nach einem der
vorangegangenen Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
im Abschnitt der Kontakt- und Verbindungsstelle (6) das zweite Verbindungselement eine reduzierte Fläche, insbesondere eine reduzierte Breite aufweist.
Elektrische Verbindungsanordnung nach einem der
vorangegangenen Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
die Kontakt- und Verbindungsstelle (6) durch
Rührreibpunktschweißen realisiert ist.
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