Verbindungsvorrichtung für elektrische Maschinen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung zum Verbinden eines ersten und eines zweiten elektrischen Leitungselements einer elektrischen Maschine. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, die beispielsweise als Motor, Generator, Transformator oder dergleichen ausgebildet sein kann. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsvorrichtung .

In Folge der steigenden Preise für Kupfer werden die elektri- sehen Leitungselemente bzw. Leiter in elektrischen Maschinen zunehmend durch Leiter aus Aluminium ersetzt. Insbesondere die Wicklungen von elektrischen Maschinen werden vermehrt aus Aluminium gefertigt. Durch den partiellen Ersatz der Kupferleiter durch Aluminiumleiter besteht die Notwendigkeit, die Kupferleiter und die Aluminiumleiter in der elektrischen Maschine mechanisch und elektrisch miteinander zu verbinden.

Die Verbindung an der Schnittstelle zwischen dem Kupferleiter und den Aluminiumleitern sollte so ausgebildet sein, dass sie eine möglichst lange Lebensdauer auch bei hohen Betriebstemperaturen erreicht. Der Grund hierfür ist, dass beispielswei ^¬ se bei elektrischen Maschinen, die in Windkraftanlagen eingesetzt werden, dauerhafte Betriebstemperaturen von bis zu 130 °C auftreten können. Die angestrebte Lebensdauer für die Verbindung der Wicklungen bzw. Leiter in einer solchen elektrischen Maschine kann bis zu 25 Jahre sein.

Bisher existiert für eine entsprechende Verbindung zwischen elektrischen Leitern, die aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sind, noch keine befriedigende Lösung. Eine Mög ^¬ lichkeit könnte darin bestehen, die Kupferleiter und Aluminiumleiter mittels einer Crimpverbindung mechanisch und elektrisch miteinander zu verbinden. Zur Zeit verfügbare Crimpver- bindungsausführungen ist jedoch insbesondere bei den hohen angestrebten Einsatztemperaturen nicht zuverlässig zu realisieren. Dies ist beispielsweise durch die Materialeigenschaf ^¬ ten von Aluminium begründet. Bei hohen Umgebungstemperaturen neigt das Material zum Kriechen, d. h. das Aluminium verformt sich zeitabhängig plastisch. Somit kann mit einer Crimpver- bindung die benötigte Lebensdauer nicht garantiert werden.

Eine weitere Möglichkeit könnte darin bestehen, die Kupfer- leiter und die Aluminiumleiter durch Löten miteinander zu verbinden. Mit den Loten, die üblicherweise hierzu verwendet werden, kann die geforderte lange Lebensdauer bei hohen Betriebstemperaturen nicht gewährleistet werden. Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie auch für hohe Betriebstemperaturen zwischen elektrischen Leitungselementen einer elektrischen Maschine , die aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind, eine zuverlässige Verbindung geschaffen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und durch eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 8 gelöst. In gleicher Weise wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteil- hafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung zum Verbinden eines ersten und eines zweiten elektrischen Leitungselements einer elektrischen Maschine umfasst ein erstes Verbindungs ^¬ element, das aus einem ersten Metall gebildet ist und das zum Anschließen des ersten elektrischen Leitungselements ausgebildet ist, und ein zweites Verbindungselement, das aus einem vom dem ersten Metall verschiedenen zweiten Metall gebildet ist und das zum Anschließen des zweiten elektrischen Leitungselements ausgebildet ist, wobei das erste und das zweite elektrische Verbindungselement durch Schweißen miteinander verbunden sind. Die Verbindungsvorrichtung ist ein separates Bauteil, das aus zwei Verbindungselementen gebildet ist, die aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt wird. Das erste Verbindungselement dient der elektrischen Verbindung mit dem ersten elektrischen Leitungselement der elektrischen Maschine und das zweite Verbindungselement dient der elektrischen Ver ^¬ bindung mit dem zweiten Leitungselement der elektrischen Maschine. Das erste Verbindungselement und das erste elektri ^¬ sche Leitungselement sind bevorzugt aus dem gleichen Material gefertigt. Ebenso sind das zweite Verbindungselement und das zweite elektrische Leitungselement bevorzugt aus dem gleichen Material gefertigt.

Das erste und das zweite elektrische Leitungselement können beispielsweise einer Wicklung in dem Stator und/oder dem Ro- tor der elektrischen Maschine zugeordnet sein oder durch diese gebildet sein. Das erste und das zweite elektrische Lei ^¬ tungselement können auch einem Anschlusselement, einem soge ^¬ nannten Busbar, zugeordnet sein bzw. durch dieses gebildet sein, über welche die elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt werden kann.

Das erste und das zweite Verbindungselement der Verbindungs ^¬ vorrichtung sind durch ein Schweißverfahren miteinander elektrisch und mechanisch verbunden. Durch diese Art der Ver- bindung kann auch bei hohen Umgebungs- bzw. Betriebstempera ^¬ turen, die in elektrischen Motoren oder Generatoren auftreten können, eine lange Lebensdauer gewährleistet werden. Durch eine Schweißverbindung können die negativen Einflüsse auf die Verbindung der beiden Verbindungselemente, die beispielsweise durch Kriechvorgänge entstehen, verhindert werden

Bevorzugt sind das erste und das zweite elektrische Verbin ^¬ dungselement durch Reibschweißen miteinander verbunden. Bei Reibschweißen werden das erste und das zweite Verbindungsele- ment relativ zueinander bewegt, wobei sich die Verbindungs ^¬ elemente an ihren jeweiligen Verbindungsstellen unter Druck berühren. Dieses Verfahren führt zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Verbindungselementen. Somit kann auf einfache Weise eine mechanisch feste und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den beiden Verbindungselementen geschaffen werden. In einer Ausführungsform ist das erste elektrische Verbindungselement aus Kupfer gebildet und das zweite elektrische Verbindungselement ist aus Aluminium gebildet. Unter den Beg ^¬ riffen Kupfer und Aluminium sind im Folgenden neben den reinen chemischen Elementen auch entsprechende Kupferlegierungen und Aluminiumlegierungen zu verstehen. Als Werkstoffe können aber auch alle geeigneten Metalle und elektrisch leitfähigen Materialien verwendet werden. Die Werkstoffe sollten eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Somit ist die Verbindungsvorrichtung besonders zur Verbindung eines ersten elektrischen Leitungselements, das aus Kupfer gefertigt ist, und einem zweiten elektrischen Leitungselement, das aus Aluminium gefertigt ist, geeignet.

In einer Ausgestaltung weisen das erste und das zweite Ver- bindungselement jeweils eine Verbindungsseite, an der sie miteinander verbunden sind, und eine der Verbindungsseite ge ^¬ genüberliegende Anschlussseite auf, wobei das erste Verbin ^¬ dungselement zwischen der Verbindungsseite und der Anschluss ^¬ seite eine größere räumliche Erstreckung aufweist als das zweite Verbindungselement. Mit anderen Worten ist das erste Verbindungselement länger als das zweite Verbindungselement. Die beiden Verbindungselemente der Verbindungsvorrichtung können mit den entsprechenden Leitungselementen der elektrischen Maschine durch ein Lötverfahren verbunden werden.

Zur Verbindung des ersten Verbindungselement und des ersten elektrischen Leitungselements, die beide bevorzugt aus Kupfer gefertigt sind, kann ein anderes Lot verwendet als bei der Verbindung des zweiten Verbindungselements und dem zweiten elektrischen Leitungselement, die üblicherweise beide aus

Aluminium gefertigt sind. Das Lot für die Verbindung der bei ^¬ den Elemente aus Kupfer weist eine höhere Schmelztemperatur auf als das Lot für die Verbindung der beiden Elemente aus Aluminium. Dies kann zur Folge haben, dass die Verbindungs ^¬ stelle der beiden Elemente aus Kupfer beim Löten eine höhere Temperatur aufweist als die Verbindungsstelle der beiden Ele ^¬ mente aus Aluminium. Um die Temperatureinwirkung in Folge des Lötens auf die durch das Reibschweißen erzeugte Verbindungs ^¬ stelle der beiden Verbindungselemente möglichst gering zu halten, ist das erste Verbindungselement im Vergleich zum zweiten Verbindungselement länger ausgebildet. Durch diese größere räumliche Erstreckung kann im Vergleich zu dem zwei- ten Verbindungselement ein höherer Temperaturgradient er ^¬ reicht werden. Somit kann einer thermischen Beanspruchung der Schweißverbindung vorgebeugt werden.

Bevorzugt sind das erste und das zweite Verbindungselement zumindest bereichsweise als Draht ausgebildet. Verbindungs ^¬ elemente, die aus einem Draht gefertigt sind, sind einfach erhältlich. Somit kann eine kostengünstige Verbindungsvorrichtung für eine elektrische Maschine bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform weist das erste und das zweite Ver ^¬ bindungselement zumindest bereichsweise einen rotationssym ^¬ metrischen Querschnitt auf. Bevorzugt weisen die beiden Ver ^¬ bindungselemente an der Verbindungsstelle den gleichen Durch ^¬ messer auf. Somit sind sie besonders zum Reibschweißen geeig- net, da eine Schweißverbindung über die komplette Fläche der Verbindungsstellen der Verbindungselemente erreicht werden kann. Somit kann eine zuverlässige Verbindung zwischen den beiden Verbindungselementen durch das Schweißverfahren garantiert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung weisen das erste und das zweite Verbindungselement an der Anschlussseite jeweils einen gegenüber dem übrigen Querschnitt abgeflachten Querschnitt auf. Zu diesem Zweck können die Verbindungselemente durch ein entsprechendes Umformverfahren bearbeitet werden. Da in elektrischen Maschinen üblicherweise Leitungselemente mit ei ^¬ nem abgeflachten bzw. rechteckigen Querschnitt verwendet werden, kann das jeweilige Verbindungselement besonders einfach mit diesen elektrischen Leitungselementen und/oder entsprechenden anderen Anschlusselementen verbunden werden.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst die erfin- dungsgemäße Verbindungsvorrichtung, das erste elektrische

Leitungselement, das aus dem ersten Metall gebildet ist, und das zweite elektrische Leitungselement, das aus dem zweiten Metall gebildet ist, wobei das erste Verbindungselement der Verbindungsvorrichtung mit dem ersten Leitungselement und das zweite Verbindungselement der Verbindungsvorrichtung mit dem zweiten Leitungselement verbunden ist. Das erste Verbindungs ^¬ element und das erste elektrische Leitungselement können je ^¬ weils aus Kupfer gebildet sein und durch Löten, insbesondere Hartlöten, miteinander verbunden sein. Ebenso können das zweite Verbindungselement und das zweite elektrische Lei ^¬ tungselement aus Aluminium gefertigt sein und durch Löten, insbesondere Hartlöten, miteinander verbunden sein. Somit kann eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen den beiden Verbindungselementen und den Verbindungselementen und den jeweiligen Leitungselementen bereitgestellt werden, die auch bei hohen Betriebstemperaturen zuverlässig sind. Eine solche elektrische Maschine eignet sich beispielsweise beson ^¬ ders für die Verwendung als Generator in einer Windkraftanlage .

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsvorrichtung zum Verbinden eines ersten und eines zweiten elektrischen Leitungselements einer elektrischen Maschine umfasst das Bereitstellen eines ersten elektrischen Verbin- dungselements , das aus einem ersten Metall gebildet ist das zum Anschließen des ersten elektrischen Leitungselements ausgebildet ist, das Bereitstellen eines zweiten elektrischen Verbindungselements, das aus einem vom dem ersten Metall ver ^¬ schiedenen zweiten Metall gebildet ist und das zum Anschlie- ßen des zweiten elektrischen Leitungselements ausgebildet ist, und das Verbinden des ersten und des zweiten elektrischen Verbindungselements durch Schweißen. Die zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen können in gleicher Weise auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine und das erfindungsgemäße Verfahren übertragen wer- den .

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: FIG 1 eine Draufsicht der Verbindungsvorrichtung;

FIG 2 eine Draufsicht der Verbindungsvorrichtung gemäß

FIG 1 in einer weiteren Ausführungsform;

FIG 3 eine Seitenansicht der Verbindungsvorrichtung gemäß

FIG 2; und

FIG 4 eine weitere Seitenansicht der Verbindungsvorrich ^¬ tung gemäß FIG 2.

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin- dung dar.

FIG 1 zeigt eine Verbindungsvorrichtung 10 in einer Draufsicht. Die Verbindungsvorrichtung 10 dient dem elektrischen Verbinden eines ersten und eines zweiten elektrischen Lei- tungselements in einer elektrischen Maschine, wobei das erste Leitungselement und das zweiten Leitungselement aus unter ^¬ schiedlichen Metallen gebildet bzw. gefertigt sind. Bevorzugt ist das erste Leitungselement der elektrischen Maschine aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung gefertigt. Das zweite Lei- tungselement ist bevorzugt aus Aluminium bzw. aus einer Alu ^¬ miniumlegierung gefertigt. Das erste und das zweite Leitungs ^¬ element können einer Wicklung der elektrischen Maschine zugeordnet sein oder durch diese gebildet sein. Ebenso können das erste und das zweite Leitungselement einem Anschlusselement der elektrischen Maschine, einem sogenannten Busbar, zugeordnet sein oder durch diesen gebildet sein. Die Verbindungsvorrichtung 10 umfasst ein erstes Verbindungs ^¬ element 12 und ein zweites Verbindungselement 14. Das erste Verbindungselement 12 ist bevorzugt aus dem gleichen Material gefertigt wie das erste elektrische Leitungselement der elektrischen Maschine. Das zweite Verbindungselement 14 ist bevorzugt aus dem gleichen Material gebildet wie das zweite elektrische Leitungselement der elektrischen Maschine. Das erste Verbindungselement 12 dient der Verbindung mit dem ers ^¬ ten elektrischen Leitungselement der elektrischen Maschine und das zweite Verbindungselement 14 dient der Verbindung mit dem zweiten elektrischen Leitungselement der elektrischen Maschine .

Das erste Verbindungselement 12 und das zweite Verbindungs ^¬ element 14 sind vorliegend drahtförmig ausgebildet. Bevorzugt weisen das erste Verbindungselement 12 und das zweite Verbin ^¬ dungselement 14 einen rotationssymmetrischen Querschnitt auf. Das erste Verbindungselement 12 und das zweite Verbindungs ^¬ element 14 sind durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, miteinander verbunden. Bei Reibschweißen werden das erste Verbindungselement 12 und das zweite Verbindungselement 14 relativ zueinander bewegt, wobei sich eine Verbindungsstelle 16 des ersten Verbindungselements 12 und eine Verbindungs ^¬ stelle 18 des zweiten Verbindungselements 14 berühren. Die durch die Erwärmung erzeugt Verformung führt zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Verbindungselementen 12, 14.

Das erste Verbindungselement 12 weist eine der Verbindungs- stelle 16 gegenüberliegende Anschlussseite 20 auf. Ebenso weist das zweite Verbindungselement 14 eine der Verbindungs ^¬ stelle 18 gegenüberliegende Anschlussseite 22 auf. An den je ^¬ weiligen Anschlussseiten 20, 22 können die Verbindungselemente 12, 14 bzw. die Verbindungsvorrichtung 10 mit den elektri- sehen Leitungselementen der elektrischen Maschine verbunden werden. Insbesondere werden die Verbindungselemente 12, 14 an den Anschlussseiten 20, 22 jeweils durch Hartlöten mit den entsprechenden elektrischen Leitungselementen verbunden. Beim Löten des ersten Verbindungselements 12 und dem ersten elektrischen Leitungselement, die beiden bevorzugt aus Kupfer gefertigt sind, treten üblicherweise höhere Temperaturen auf als beim Löten des zweiten Verbindungselements 14 und dem zweiten elektrischen Leitungselement, die beiden bevorzugt aus Aluminium gefertigt sind. Aus diesem Grund weist das ers ^¬ te Verbindungselement 12 im Vergleich zu dem zweiten Verbindungselement 14 entlang der Längsachse eine größere räumliche Erstreckung auf. Mit anderen Worten ist das erste Verbin- dungselement 12 länger als das zweite Verbindungselement 14. Dadurch kann verhindert werden, dass die durch Reibschweißen gebildete Verbindung der Verbindungsvorrichtung 10 beim Löten zu stark erhitzt wird. FIG 2 zeigt eine Draufsicht einer Verbindungsvorrichtung 10 in einer weiteren Ausführungsform. Im Gegensatz zu der Verbindungsvorrichtung 10, die in FIG 1 dargestellt ist, weisen das erste Verbindungselement 12 und das zweite Verbindungs ^¬ element 14 jeweils an ihren Anschlussseiten 20, 22 einen im Vergleich zu den übrigem Querschnitt einen abgeflachten Querschnitt auf.

FIG 3 zeigt eine Seitenansicht der Verbindungsvorrichtung 10, auf der der abgeflachte Querschnitt des ersten Verbindungs- elements 12 an dessen Anschlussseite 20 zu erkennen ist.

Überdies zeigt FIG 4 eine Seitenansicht der Verbindungsvor ^¬ richtung 10, auf der der abgeflachte Querschnitt des zweiten Verbindungselements 14 an dessen Anschlussseite 22 darge ^¬ stellt ist. Durch den jeweiligen abgeflachten Querschnitt können die Verbindungselemente 12, 14 besonders einfach mit Leitungselementen der elektrischen Maschine, die einen abgeflachten oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, verbunden werden.