Verbindungstechnik Kupferverbinder halten Elektroinstallationen cool und schlank

Wie man den Kontaktwiderstand und die Wärmeentwicklung in Elektroinstallationen durch besondere Verbindungselemente reduzieren kann, verraten hier die Experten von Isabellenhütte Heusler.

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Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG

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JESSBERGER GmbH

Außer Feinstdrähten, Kabeln und Litzen aus ISA-CON 414 fertigt die Isabellenhütte, wie es heißt, jetzt auch Halbzeuge und Vormaterialien aus ISA-CON 450, einer anderen Kupferbasislegierung, die sich zur Herstellung von Verbindungselementen wie Schrauben und Bolzen eignet. Damit lassen sich der elektrische Widerstand und damit die Wärmeentwicklung in Konstruktionen deutlich reduzieren. Zusätzlich könne die entstehende Wärme auch besser abgeleitet werden.

Der ideale Werkstoff für leitende Verbindungen

Sowohl ISA-CON 414 als auch ISA-CON 450 zeichnet sich laut Isabellenhütte durch eine hohe Festigkeit (ähnlich der von Edelstahl) und ihre gute Leitfähigkeit (ähnlich der von reinem Kupfer) aus. ISA-CON 450 hat eine Zugfestigkeit zwischen 450 bis 550 MPa und eine Leitfähigkeit von 80 % gemäß IASC (International Annealed Copper Standard). Diese Eigenschaftskombination prädestiniere den Werkstoff zur Herstellung leitender Verbindungselemente, zu denen außer den bereits erwähnten, auch Federkontakte, Steckverbinder und Stromschienen gehörten.

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Verbinder aus Kupferlegierung sparen nicht nur Platz und Gewicht

Wenn in Applikationen, beispielsweise mit Verbindungselementen aus Stahl Probleme auftreten (etwa eine zu hohe Verlustleistung und Wärmeentwicklung, oder Platzmangel herrscht und auf Gewicht geachtet werden müsse), sei der Einsatz der ISA-CON-450-Legierung eine sich lohnende Alternative. Denn bei stromtragenden Bauteilen verringert sich im Vergleich zu Stahl der elektrische Widerstand sowohl im Material als auch beim Kontaktübergang. Damit sinkt die Verlustleistung deutlich, beziehungsweise lassen sich so das Gewicht und der Durchmesser der Komponenten reduzieren. Eine vielversprechende Anwendung ist die direkte Verbindung – zum Beispiel zur Überbrückung eines herrschenden Abstands zwischen zwei Stromschienen mit tragender Funktion (anstelle eines Stahlbolzens oder eines Stifts für einen Steckerkontakt).

Kupferbolzen halbieren die Wärmebelastung bei Shunt-Widerständen

Die Anforderungen bei der Bolzenapplikation waren eine deutliche Reduzierung des elektrischen Widerstands und damit der Wärmeentwicklung des Bolzens selbst. Direkte Nutzung bedeutet für diesen Fall, dass der gesamte Strom direkt über den ISA-CON-450-Bolzen geleitet wird, der einen Shunt-Widerstand (Strommess- oder Nebenschlusswiderstand) mit einem Stecker verbindet, so Isabellenhütte. Aufgrund der hohen Leitfähigkeit der Legierung wirke ein nur geringer elektrischer Widerstand mit entsprechend reduzierter Wärmeentwicklung im Kontaktbolzen. Darüber hinaus kann die sich entwickelnde Wärme, die typisch für einen Shunt-Widerstand ist, besser abgeführt werden. Im Vergleich zu Verbindungselementen aus Stahl erwärmen sich ISA-CON-450-Installationen auf höchstens 50 % des Temperaturniveaus bei Stahlkontakten.

Materialsparende Kupferkontakte sind für Autobauer interessant

Als weiteren Pluspunkt führt Isabellenhütte an, dass ISA-CON 450, und ebenso ISA-CON 414 warmfest sind. Das heißt, dass daraus gefertigte Verbindungselemente für Konakte auch bei Anwendungen mit höheren Umgebungstemperaturen ihre mechanische Festigkeit behalten – so auch die Bolzen.

Stromtragende Bauteile aus Stahl, die außerdem aufwendig gekühlt, oder für eine hinreichende Leitfähigkeit deutlich überdimensioniert werden müssten, könnten durch ISA-CON-450-Alternativen einfach ersetzt werden. Mechanisch tragende Verbindungselemente aus Kupfer müssen laut Isabellenhütte oft auch überdimensioniert werden, damit die mechanischen Belastungen ertragen werden. Durch die erhöhte Festigkeit von ISA-CON-Legierungen jedoch, können die Querschnitte der Bauteile bei gleichem Sicherheitsniveau verringert werden. Dieser Effekt zahlt sich in puncto Gewichts- und Platzreduzierung besonders aus. Das macht das Material für Automobilbauer attraktiv, heißt es.

Sicherheitsreserve bei indirekter Verbindung

Eine indirekte Verbindung, erklärt Isabellenhütte, ersetzt ein bisher nicht stromtragendes Bauteil, wie eine Stahlschraube, die einen Kontakt auf eine Stromschiene presst. Bei diesem Aufbau könne die gepresste Kontaktfläche und damit die Bauteilfläche reduziert werden, weil ein Teil des Stroms über die Schraube fließe. Die ISA-CON-450-Schraube bietet durch ihre hohe Leitfähigkeit dafür zusätzliche Sicherheit, verspricht der Hersteller. Die Kundenresonanz, die Isabellenhütte bisher registriere, falle sehr positiv aus. Vor allem die direkte Nutzung durch ISA-CON-450-Bolzen lässt auf eine gute Kosten-Nutzen-Relation schließen, so das Unternehmen.

Wenn es um Wärme- und Stromleitfähigkeit sowie mechanische Belastungen geht

Die Experten der Isabellenhütte merken an: „Wenn Wärmeentwicklung, elektrische Leitfähigkeit und Übergangswiderstände in der Anwendung unerheblich sind, können Stahl oder einfache Kupferlegierungen wie Bronze oder Messing ausreichend sein. Wenn aber die hier genannten Probleme auftreten, bietet sich ISA-CON 450 als Problemlöser an.“ Interessant sei die Kupferbasislegierung außerdem für alle Arten von mechanisch beanspruchten Steckverbindern, die eventuell auch eine hohe Leitfähigkeit sowie eine hohe Ausfallsicherheit benötigten. MM

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