用于将至少三个构件材料配合连接的方法以及用于电机的、具有相应连接的构件的电枢的制作方法

用于将至少三个构件材料配合连接的方法以及用于电机的、具有相应连接的构件的电枢的制作方法
【专利摘要】本发明描述了一种用于将至少三个构件（6、8、9）、例如用于电机的电枢（1）的上层（9）、下层（8）和换向器片（6）材料配合连接的方法。将三个构件（9、8、6）布置在一堆叠中，并且从所述一个外部构件（6、9）通过中部构件（8）朝所述另一个外部构件（9、6）引起电流。中部构件（8）在此在焊接区域（11）中不仅在其指向所述一个外部构件（9）的表面上而且在其指向所述另一个外部构件（6）的表面上设有例如波纹或者粗结构的形式的结构异形（12），其中所引起的电流（13、14）流经所述焊接区域中。由于中部构件（8）的非光滑的、有纹路的表面，在电流（13、14）流过时出现局部的电流集中及电流密度的升高，并且由此出现局部集中的热形成。通过这种方式，可以用较小的电流（13、14）与在电阻焊时相类似地使局部区域在结构元件（9、8、6）之间的接触面上熔化，并且在随后凝固时在三个构件（6、8、9）之间引起材料配合连接。
【专利说明】用于将至少三个构件材料配合连接的方法以及用于电机 的、具有相应连接的构件的电枢

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于将至少三个构件、例如用于电机的电枢的换向器片和上层 的、下层的绕组元件连接起来的方法。此外，本发明涉及一种相应地构成的、用于电机的电 枢。

【背景技术】
[0002] 在电连接技术中，例如在制造用于电机的电枢时，经常在一个加工步骤中以热方 法将多个构件接合起来，用于将其机械地和/或电地彼此连接起来。
[0003] 例如为了将电枢的绕组元件与该电枢的换向器连接起来，经常使用扩散钎焊过 程。为了准备所述过程，首先在浸渗浴中用熔剂将经过剥皮的绕组元件端部润湿，并且而后 在软焊料中对其进行镀锡。所述接合过程本身一般来说在接触换向器和绕组元件的一个层 或者两个层的情况下借助于接触电极并且在加载电流的情况下进行。待接合的构件在这种 情况下例如由铜或者铜合金构成。所述软焊料由于构件的通过流经的电流引起的加热而熔 化。由于扩散过程，在接合区中形成锡-铜-混合晶体，所述锡-铜-混合晶体以所期望的 方式具有比所述焊料本身高的机械的和/或热的强度。
[0004] 但是，所描述的扩散钎焊方法从设备技术方面看可能比较昂贵并且成本很高。用 熔剂对绕组元件端部进行的润湿以及随后的镀锡一般来说是不能创造新价值的工艺，并且 引起用于电枢的制造的显著的材料成本。


【发明内容】

[0005] 按照本发明的实施方式，提出了作为替代方案的、用于将至少三个构件材料配合 连接的方法。所提出的方法在此能够实现简化的工艺控制或者用于设备技术的降低的开 销。尤其可以放弃镀锡。扩散钎焊工艺可以被在有些方面更简单的工艺所取代。
[0006] 在这方面所提出的、用于将至少三个构件材料配合连接的方法首先包括将所述构 件布置成一堆叠，在所述堆叠中一中部构件中间布置在第一外部构件与第二外部构件之 间。随后如此引起电流，使得所述电流从所述外部构件之一通过所述中部构件流向所述另 一个外部构件。所述中部构件在此在焊接区域中不仅在其指向所述第一外部构件的表面上 而且在其指向所述第二外部构件的表面上设有所谓的结构异形，其中所引起的电流从所述 焊接区域中流过，其中所述结构异形应该是关于光滑的表面的一级、二级和/或三级结构 异形。
[0007] 所提出的方法的构思在此可以在于，以往用于将例如电机的电枢的多个构件连接 起来的扩散钎焊工艺被电阻焊工艺所取代。在这样的电阻焊工艺中，由于通过流过的电流 引起的温度升高而将有待连接的构件的材料置于熔融的状态中。在这些接触面随后冷却 时，所熔化的材料凝固，并且就这样在所述构件之间引起材料配合的连接。
[0008] 现在已经发现，在所述电流流过时引起的加热现象很大程度取决于局部存在的电 流密度。因此提出，不是整面地使有待连接的构件在所述焊接区域中彼此邻接。相反，所述 中部构件在所述焊接区域中在其两个指向相邻的外部的第一或者第二构件的表面上应该 具有非光滑的表面，也就是具有肉眼可见的结构异形的表面。由于这个非光滑的表面，所述 中部构件仅仅在较小的部分表面中优选仅仅逐点地抵靠在所述外部的第一或者第二构件 的相应的邻接的表面。在处于其之间的部分区域中不存在机械的接触，并且由此也不存在 电的接触。从所述由构件构成的堆叠中流过的电流由此在所述构件之间被集中在这些电接 触的部分区域中。因此，局部地出现提高了的电流密度，并且由此出现增强的局部的加热。 这种增强的加热可能导致有待连接的构件的材料的局部的熔化，由此在随后冷却时可能在 所述构件之间引起局部的材料配合的复合结构。
[0009] 换句话说，优选如此调节所引起的电流的强度，使得所述构件在一些区域中局部 地熔化，在这些区域中所述中部构件在焊接区域中以其结构异形的表面抵靠在所述外部的 第一或者第二构件的相邻的表面上。电流的方向在此在很大程度上无关紧要，也就是说直 流电流可以从所述第一外部构件通过所述中部构件流往所述第二外部构件或者反之亦可， 或者可以引起交流电。
[0010] 换句话说，可以如此选择所述中部构件的表面结构和通过所述由构件构成的堆叠 来传导的电流，使得仅仅所述表面结构的尖部由于在那里存在的局部的电阻升高而熔化。 所述表面结构在此不仅可以在微观上构造为例如粗糙尖部的形式，而且可以在宏观上构造 为槽纹、螺纹、隆起等等的形式。
[0011] 仅仅所述中部构件设有一种表面结构，由此可以一方面在中部构件与第一外部构 件之间并且另一方面在中部构件与第二外部构件之间的两个接合区中有针对性地并且以 所定义的方式出现接触区。
[0012] 要指出，技术的表面的结构异形或者说结构偏差（Gestaltabweichung)按照德国 工业标准DIN4760可以被理解为"划分为六个不同的等级"。一级到四级结构异形在此可能 相互重叠，并且由此确定本体的实际上的表面状态。"一级结构异形"可以是指关于额定形 状的形状偏差。"二级结构异形"可以是指一种波纹。"三级结构异形"可以是指沟纹形式 的粗结构（Rauheit)·^四级、五级和六级结构异形"则分别涉及凹槽、鳞片、突起的形式的粗 结构、组织结构的粗结构或者材料的网格构造。
[0013] 按照一种实施方式，在所述中部构件的表面上的结构异形是具有处于50μπι到 5_、优选50 μ m到1_的范围内的结构尺寸的波纹形式的二级结构异形。
[0014] 这样肉眼可见的结构异形可能引起以下结果：不仅所述接触面而且在这样的接触 面之间的侧向间距都大致处于所述结构尺寸的数量级中，其中在所述接触面中所述中部构 件抵靠在所述邻接的外部构件之一上。不仅所述接触面的尺寸而且所述相邻的接触面之间 的间距都在加载焊接电流时对在所述接触面的区域中的电流密度有影响。
[0015] 波纹的形式的、二级结构异形的、较大的结构例如可以容易并且成本低廉地制成。
[0016] 例如这种肉眼可见的结构异形可以在所述中部构件的焊接区域中通过制造过程、 例如变形工艺、例如滚压、滚花、冲压等等，通过成形工艺、例如浇铸，通过切削工艺、例如车 肖IJ、螺纹切割等等或者通过辐射工艺、例如喷丸清理、喷砂处理、激光结构化等等来构成。这 样的制造方法能够实现对于所述中部构件的表面的、简单的并且成本低廉的、肉眼可见的 结构化。
[0017] 在一种作为替代方案的实施方式中，所述被设置在中部构件的焊接区域中的结构 异形是具有处于l〇ym到50μπι的范围内的结构尺寸的、粗结构形式的三级结构异形。
[0018] 处于所述中部构件的焊接面上的结构异形的"波纹"或者"粗结构"特性应该主要 说明用于占优势的结构尺寸的程度，但是并非一定包括关于所述结构异形的特殊形式的说 明。例如，所述结构异形可以具有尖棱的、锯齿状的结构，或者也可以具有经过倒圆的柔和 的结构。所述结构异形可以基本上均匀地在所述焊接面的范围内分布。
[0019] 处于所述中部构件的焊接面上的结构异形也可以以所谓的平均粗糙值 (Mittenrauwert) Ra的形式来说明。平均粗糙值描述了例如通过切削加工法、成形法或者 变形法来制造的技术的表面的粗糙度。理想的光滑的表面具有平均粗糙值〇。切合实际的 平均粗糙值从几乎看不见的Ra=0. 025 μ m的加工痕迹一直到明显看得见的具有Ra=50 μ m 的凹槽、鳞片或突起。也可以为更粗糙的、肉眼可见的结构异形、例如上面所描述的波纹分 配例如可能处于明显大于50 μ m范围内的平均粗糙值。
[0020] 与所述中部构件相比，所述外部的第一及第二构件的、指向中部构件的表面可以 基本上是光滑的。换句话说，不需要专门对所述外部构件进行加工，以便有针对性地获得结 构异形。"基本上是光滑的"在此例如可以被解释如下：剩下的结构异形是四级或者更高级。 换句话说，所述外部构件的、基本上光滑的表面的平均粗糙值可以小于10 μ m。
[0021] 所述有待连接的构件中的至少一个构件、然而优选所有有待连接的构件都可以由 铜制成。与例如软焊锡相比，铜具有大约l〇83°C的高熔点。所提出的连接方法允许：至少 局部地以可接受的能量开销来产生如此高的温度，并且从而虽然不是整面地但是通过逐点 的部分区域来焊接所述构件，并且由此在所述构件之间产生在机械及电方面充分的连接。
[0022] 作为替代方案，所述有待连接的构件中的至少一个构件、但是优选所有有待连接 的构件都由铝制成。
[0023] 在本发明的一种具体的实施方式中，所述外部构件是电机的电枢的上层，所述中 部构件是所述电机的电枢的下层，并且所述第二外部构件是所述电机的电枢的换向器片。
[0024] 对于用于电机的电枢来说，可能特别有利的是，将所述电枢的上层和下层、也就是 说电枢绕组的不同的绕组末端上下堆放地安置在换向器片上。所描述的电阻焊方法尤其适 合于此。
[0025] 在本发明的一种作为替代方案的实施方式中，所述外部的第一及第二构件分别是 卷边（Crimp)的侧面，所述侧面以所述卷边的至少局部地结构化的表面包围着所述中部构 件。
[0026] 所述卷边由此可以以其两个基本上光滑的侧面以简单的方式通过所描述的电阻 焊工艺与所述被包围的、中部构件材料配合地连接。
[0027] 借助于上面所描述的方法，例如可以制造一种用于电机的电枢，其中在上层与换 向器片之间中间布置了下层，并且所述三个构件在焊接区域的内部材料配合地连接。所 述上层、下层及换向器片在此在所述焊接区域的内部仅仅在部分区域中材料配合地彼此连 接，其中所述部分区域在其结构尺寸方面相应于关于光滑的表面的、一级、二级和/或三级 结构异形。
[0028] 换句话说，由于所描述的电阻焊工艺，在所述上层、所述下层与所述换向器片之间 的材料配合的连接不是整面的连接，而是在所述焊接区域的内部局部地被限制到小的部分 区域上。连接区域中的材料在此是所述构件中的至少一个构件的、在电阻焊期间暂时熔化 的材料。换句话说，所述连接区域由所述下层、所述上层和所述换向器片中的至少一个的材 料所构成，在所述连接区域中所述下层与所述上层或者所述换向器片材料配合地连接。在 所述连接区域上不需要存在其它的、更低熔点的、例如焊料形式的材料。
[0029] 所述电枢构件的、材料配合的连接的类型可以由制造方法的种类而产生。由此可 以在获得所述电枢构件的、在机械方面足够牢固的并且在电方面传导充分的连接的同时实 现所提出的电枢的、简化的可制造性。
[0030] 要说明，在这方面部分地参照所述按本发明的方法的实施方式并且部分地参照所 述按本发明的电枢的实施方式来对本发明的可能的特征和优点进行描述。本领域的技术人 员会发现，不同的特征可以以合适的方式彼此组合或者更换，用于实现其它的实施方式和 可能的协同效应。

【专利附图】

【附图说明】
[0031] 下面参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中不仅附图而且说明书都不应该 设计为对本发明的限制。
[0032] 图1是用于电机的电枢的透视图； 图2是具有绕组元件的两个重叠放置的端部的电枢的换向器的部分区域的横截面视 图；并且 图3是在具有按照本发明的一种实施方式的绕组元件的重叠放置的端部的换向器的 区域中的、电枢的、部分区域的纵剖面视图。
[0033] 附图仅仅是示意图并且不按比例。

【具体实施方式】
[0034] 图1示出了电枢1，该电枢是电机的、例如用于内燃机的起动器的一部分。所述电 枢1具有：一电枢轴或者说转子轴2 ; -电枢铁片或者叠片组3,其与电枢轴2固定地连接并 且在圆周范围内分布地具有多个绕组元件4;以及一换向器5,其与电枢轴2的端面相邻地 布置。绕组元件4的自由端部固定地彼此连接并且与换向器5连接。
[0035] 图2示出了电枢的横截面，其位于具有在换向器5的外表面上重叠放置的绕组元 件端部8、9的换向器5的区域中。在所示出的实施方式中，绕组元件9可属于电枢的上层， 并且可以是指第一外部构件。绕组元件8可以属于电枢的下层并且可以是指中部构件。换 向器片6可以是指第二外部构件。换句话说，在换向器片6的表面或者外侧面上重叠放置 两个不同的绕组元件4的绕组元件端部8、9,其中相应一个绕组元件的两个端部在不同的 换向器片6上分别或者形成上层并且或者形成下层。换向器片6通过绝缘接片7相对于换 向器5的相邻的叠片绝缘。
[0036] 图3示出了换向器片6连同放置在其上面的绕组元件端部8、9的剖视图。用作中 部结构元件的绕组元件端部8在焊接区域11中具有波纹或者粗结构形式的结构异形12,所 述结构异形具有向外伸出的可见的尖部10。结构异形12在此被设置在绕组元件8的两个 表面上，也就是说被设置在指向处于其上面的绕组元件9的表面上或者被设置在指向处于 其下面的换向器片6的表面上。在所示出的实施例中，所述结构异形12作为围绕绕组元件 端部的环绕的螺纹来实现。结构异形12的结构尺寸在此可以处于十分之一毫米与数毫米 之间，其中所说明的尺寸不仅可以涉及在表面的最远的处于外部的区域与最远的处于内部 的区域之间的径向间距，而且可以涉及在相邻的、最远地处于外部的区域之间的侧向间距。
[0037] 为了将绕组元件端部8、9和换向器片6彼此材料配合连接，在处于外部的绕组元 件9上并且在另一侧处于外部的换向器片6上加载电压。如用箭头13、14所勾画出来的那 样，随后例如10千安的电流从外部的绕组元件端部9经过布置在其之间的绕组元件端部8 流向换向器片6。
[0038] 因为在中部绕组元件8与外部绕组元件9或者换向器片6之间的电接触仅存在于 部分区域中，在所述部分区域中结构异形12的伸出的尖部10与绕组元件端部9的或者换 向器片6的光滑的表面邻接，所以通过由构件9、8、6构成的堆叠传导的电流13、14必定在 构件9、8、6之间的接触面上局部地集中于这些部分区域。由于局部升高的电流密度，由此 在接触位置处出现增强的热形成。这种效应还通过以下方式得到支持：在接触位置处可能 出现提高了的接触电阻。增强的热形成可以用于使结构异形12的尖部10以及在外部绕组 元件端部9或者换向器片6的表面上的邻接区域暂时地局部地熔化。在熔融物随后冷却并 且凝固时，出现所期望的材料配合连接。
[0039] 由于中部绕组元件端部8的设有结构异形的表面以及从中产生的局部电流集中 以及由此局部集中的热形成，较小的电流13、14可能足以用于引起电阻焊。由此在这里所 提出的连接方法中，可以放弃传统上必要的镀锡过程，并且尽管如此必要时可以将传统上 为扩散钎焊所使用的电阻焊机继续用于在这方面所介绍的方法。
【权利要求】
1. 用于将至少三个构件（6、8、9)材料配合连接的方法，其中所述方法具有以下步骤： -将所述构件（6、8、9)布置成一具有第一外部构件（9)、中部构件（8)和第二外部构件 (6)的堆叠； -从所述外部构件（6、9)之一通过所述中部构件（8)朝所述另一个外部构件（9、6)引 起电流（13、14); 其特征在于， 所述中部构件（8)在焊接区域（11)中不仅在其指向所述第一外部构件（9)的表面上而 且在其指向所述第二外部构件（6)的表面上设有关于光滑的表面的、一级、二级和/或三级 结构异形（12)，其中所引起的电流（13、14)流经所述焊接区域（11)。
2. 按权利要求1所述的方法，其中如此设定所引起的电流（13、14)的强度，使得所述 构件（6、8、9)在一些区域中局部地熔化，在这些区域中所述中部构件在焊接区域（11)中利 用其结构异形的表面（12)与所述第一或者第二外部构件（9、6)的相邻的表面邻接。
3. 按权利要求1或2所述的方法，其中所述结构异形（12)是具有处于50 μ m到5mm的 范围内的结构尺寸的波纹的形式的二级结构异形。
4. 按权利要求1或2所述的方法，其中所述结构异形（12)是具有处于10 μ m到50 μ m 的范围内的结构尺寸的粗结构的形式的三级结构异形。
5. 按权利要求1到4中任一项所述的方法，其中在中部构件（8)的焊接区域（11)中的 结构异形（12)通过从包括变形工艺、成形工艺、切削工艺和辐射工艺的类别中选出的加工 过程来构成。
6. 按权利要求1到5中任一项所述的方法，其中所述第一及第二外部构件（9、6)的、 指向中部构件（8)的表面基本上是光滑的。
7. 按权利要求1到6中任一项所述的方法，其中所述第一外部构件（9)、所述中部构件 (8)和/或所述第二外部构件（6)由铜构成。
8. 按权利要求1到6中任一项所述的方法，其中所述第一外部构件（9)、所述中部构件 (8)和/或所述第二外部构件（6)由铝构成。
9. 按权利要求1到7中任一项所述的方法，其中所述第一外部构件（9)是电机的电枢 (1)的上层，所述中部构件（8)是所述电枢（1)的下层，并且所述第二外部构件（6)是所述 电枢（1)的换向器片。
10. 按权利要求1到7中任一项所述的方法，其中所述第一和第二外部构件（6、9)分 别是卷边的侧面，所述侧面包围所述中部构件（8)。
11. 用于电机的电枢（1)，具有： -一上层（9); -一下层（8);以及 -一换向器片（6); 其中所述下层（8)中间布置在所述上层（9)与所述换向器片（6)之间；并且 -其中所述上层（9)、所述下层（8)和所述换向器片（6)在焊接区域（11)内材料配合地 连接； 其特征在于， 所述上层（9)、所述下层（8)和所述换向器片（6)在所述焊接区域（11)内仅在部分区域 中材料配合地彼此连接，所述部分区域在其结构尺寸方面相当于关于光滑的表面的、一级、 二级和/或三级结构异形（12)。
12.按权利要求10所述的电枢，其中连接区域由所述下层（8)、所述上层（9)和所述换 向器片（6)中的至少一个构件的材料构成，在所述连接区域中所述下层（8)与所述上层（9) 和/或所述换向器片（6)材料配合地连接。
【文档编号】H01R43/02GK104114314SQ201280070238
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年10月23日 优先权日:2011年12月21日
【发明者】J.温克勒, B.迪德里希, A.库德莱克 申请人:罗伯特·博世有限公司