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Entwicklung einer aktiven Kabelklemme auf Basis von Formgedächtnislegierungen

Design of an active terminal based on shape memory alloy
 
: Zimmermann, Philipp
: Pagel, Kenny

Dresden, 2013, 125 S.
Dresden, TU, Dipl.-Arb., 2013
Deutsch
Diplomarbeit
Fraunhofer IWU ()

Abstract
In der Elektrotechnik werden Klemmen zum lösbaren Anschluss und Verbinden von elektrischen Leitern eingesetzt. Sie sind ausgereifte Massenprodukte, die millionenfach im Einsatz sind. Ihr Anwendungsgebiet liegt in der Leistungsübertragung im Niederspannungsbereich und in der Informationsübertragung. Klemmen werden in Gebäudestromversorgungen, in Fahrzeugen, in Steuerungsanlagen und in der Energieversorgung sowie in der Gerätetechnik eingesetzt. Je nach zu übertragenden Strömen bzw. anschließbaren Leiterquerschnitten existieren unterschiedliche technische Realisierungen, die den Leiter sicher und beständig über die Einsatzdauer der Klemme in der Klemmstelle mechanisch festhalten. In der Klemmstelle existiert zwischen dem Leiter und der Stromführung in der Klemme ein Kontaktwiderstand, der vom sogenannten Engewiderstand sowie vom Fremdschichtwiderstand bestimmt wird. Maßgeblich für den Engewiderstand ist die Kontaktkraft. Nimmt diese Kontaktkraft im Laufe der Zeit ab oder verschwindet gänzlich, kommt es zur übermäßigen Erwärmung der Klemmstelle. Besonders bei hohen Strömen findet aufgrund der Verringerung der Berührungspunkte zwischen den Kontaktflächen, und der damit einhergehenden lokal höheren Stromdichte, eine verstärkte Erwärmung statt. Diese übermäßige Erwärmung kann zu unerwünschten Betriebszuständen oder sogar Bränden führen und sollte unbedingt vermieden werden. Einige Realisierungen von Klemmstellen können eine Lockerung, also das mechanische Lösen des Leiters, kompensieren.
In dieser Diplomarbeit wurde unter Kenntnis der bisherigen Lösungen und der theoretischen Zusammenhänge eine aktive, also sich selbstständig nachstellende Kabelklemme entwickelt. Die Nachstellfähigkeit ist durch einen Zylinder aus Formgedächtnislegierung gegeben, der in der Unterseite einer Schraube eingebracht ist. Im bestimmungsgemäßen Betrieb verhält sich die Klemme wie eine handelsübliche Schraubklemme. Kommt es jedoch durch eine Lockerung des Leiters in der Klemmstelle zu einer übermäßigen Erwärmung, findet durch die Wärme in der zuvor in der Martensitphase verformten Formgedächtnislegierung eine Phasenumwandlung in die Austenitphase statt. Der FGL-Zylinder ist bestrebt, seine Ursprungsform wieder herzustellen und dehnt sich dabei aus. Dadurch wird eine bleibende Kontaktkraft erzeugt, die auch nach Abkühlung der Klemmstelle durch den wiederhergestellten Kontakt bestehen bleibt. In dieser Arbeit wurden zusätzlich Parameter wie die Zylinderhöhe, die Bohrungstiefe, die Vorspannung und ein sich ggf. einstellender und kompensierbarer Luftspalt untersucht.

 

Terminals are used in electrical engineering to connect and join electrical conductors. They are mass-produced articles and are currently in millionfold use. Terminals are used to transfer power in the low voltage range and transmit information. The usage of them lies within building wiring, vehicles, central control systems, electrical power supply and electronical devices. Depending on the current and the wire diameter different types of the mechanical clamp parts in a terminal exist. They should mechanically clamp a conductor safely and steadily over the duration of their usage. The contact resistance is located in the clamp area between the conductor and the interconnecting current carrier in the terminal itself. This resistance consists of the constriction and the film resistance. The constriction resistance heavily depends on the contact or load force. If the contact force decreases over time or disappears completely, it will result in an excessive raise of the temperature in the contact area due to the reduction of the connection points on the contact surface. The current density will rise locally on those connection points. This unwanted raise in temperature may lead to unwanted operational states or even fire. Some terminals are already capable of actively correcting the loosening of the mechanical clamping.
In this diploma thesis an active terminal based on shape memory alloy was designed with the knowledge of the previous solutions of terminals and the theoretical background. The compensation capability is due to a cylinder made from shape memory alloy, which is located in a drill hole on the bottom of a screw. In regular operation mode, the active terminal acts like a common screw terminal. If there is an excessive raise in temperature due to the loosening of a condutor in the terminal, the previously compressed shape memory alloy in the martensite phase will phase change into the austenite phase. The shape memory alloy cyclinder tries to expand to restore his pre-compression form. Due to this, there is a raise in the contact force which will stay after the terminal cooled down because of the restoration of the contact. This thesis furthermore covers experiments regarding parameters like the cyclinder height, drill depth, the initial tension and the compensation of a possible air gap.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-318076.html