Elektrisches Kontaktverhalten geclinchter Aluminium- und Aluminium-Kupfer-Verbindungen bei Fehlerströmen

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Kernthesen

  • Zwischen thermischer, chemischer und mechanischer Belastung und der Alterung elektrischer Kontakte bestehen grundlegende Zusammenhänge.
  • Die in Hypothese 1 genannten Zusammenhänge sind qualitativ und quantitativ über den elektrischen Widerstand und / oder das Temperatur-Zeit-Verhalten charakterisierbar.
  • Die z. B.: durch Kurzschluss in Form von Fehlerströmen auftretenden lokalen Temperaturanstiege, über die Grenzeinsatztemperatur hinaus, wirken sich auf das Kontakt- und Langzeitverhalten von umformtechnischen Fügeverbindungen aus.

Zusammenfassung

Die Notwendigkeit, elektrische Leiter stromtragfähig miteinander zu verbinden, verstärkt sich im Zuge der Elektrifizierung des Individualverkehrs und der Energiewende stetig. Der Einsatz von Aluminium und Kupfer als Leiterwerkstoffe ist etabliert. Zunehmende Bedeutung erlangen Fügeverfahren, die stromtragfähige Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen ermöglichen.

Hierzu kann das umformtechnische Fügeverfahren Clinchen eingesetzt werden. Nach bisherigem Stand der Forschung wurde das elektrische Eigenschaftsprofil geclinchter Fügeverbindungen analysiert und die Fügeparameter optimiert. Neben dem Kontaktverhalten im Ausgangszustand wurde das Langzeitverhalten bei maximal zulässiger Temperatur betrachtet.

Das Verhalten umformtechnischer Fügeverbindungen im elektrischen Fehlerfall ist bisher unzureichend erforscht. Abhängig vom Einsatzgebiet können Kurzzeitströme um den Faktor 4 bis 15 größer als die Betriebsströme im ms- bis s-Bereich auftreten, wenn z. B. ein Kurzschluss eintritt. Die mechanische und elektrische Funktionsfähigkeit der Verbindung wird auch nach dem Auftreten des Fehlerfalls gefordert.
Der Einfluss einer Kurzzeitstrombelastung auf Clinchverbindungen wurde an Aluminium- und Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen unter Berücksichtigung einer thermischen Vorbelastung untersucht.

Damit wird der Fehlerfall zu einem beliebigen Zeitpunkt der Produktlebensdauer simuliert. Veränderungen des Kontaktverhaltens infolge der Kurzzeitbestromung werden anhand elektrischer und mechanischer Charakterisierungen detektiert.

Inhalt der Arbeit ist es, den maximal zulässigen Kurzzeitstrom von Clinchverbindungen unter besonderer Berücksichtigung der Temperatur zu ermitteln. Die Untersuchungsergebnisse sollen verallgemeinert und als Grundlage für das Weiterentwickeln von Prüfverfahren genutzt werden.


Darstellung des Nutzens für KMU

Durch das Qualifizieren der Verbindungen im Kurzschlussfall können die Verfahren der um formtechnischen Fügetechnik für Fügeaufgaben aus dem Bereich der Elektroenergietechnik ertüchtigt werden. Es können neue Geschäftsfelder insbesondere für kleinere und mittelständische Unternehmen als Anbieter der Fügeverfahren und Fügeelemente erschlossen werden.

Somit wird auch dem in vielen Bereichen der Fertigung anhaltenden Trend zur multifunktionalen Ausgestaltung von Fügeverbindungen Rechnung getragen. Durch die wissenschaftlich fundierte Untersuchung der Problem stellung der Belastung mit hohen Kurzzeitströmen können Erkenntnisse erarbeitet werden, die zur Schaffung einer Vertrauens basis zwischen Anbietern der Fügetechnologien und Anwendern führen.

Für die Anbieter der Fügetechnologien, entsteht so die Möglichkeit, ihr Leistungsspektrum auf den Bereich der Elektroenergietechnik zu erweitern, da hier das Führen von Fehlerströmen eine Grundvoraussetzung für den Einsatz der Fügeverfahren ist. Firmen aus dem Geschäftsbereich Elektroenergietechnik können abgesicherte Erkenntnisse und eine zuverlässige Fügetechnologie zunächst in die Konstruktion und danach in die Fertigung einführen.

Sichergestellt wird dies durch die umfangreichen, tief greifenden und anwen dungsbezogenen Untersuchungen, sowie das vermittelte Verständnis von Anforderungen an elektrische Kontaktsyteme und deren Langzeitverhalten. Dabei baut das Verständnis auf wissenschaftlich abgesicherten Untersuchungen auf.


Projekt

EFB 03/218, IGF 21691BR - Laufzeit 01.04.2021 - 30.09.2023

Referent: PD Dr.-Ing. Stephan Schlegel, Institut für Fertigungstechnik, Professur für Fügetechnik und Montage, Technische Universität Dresden


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