CN103748747A - 机电一体式插塞连接器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机电一体式插塞连接器系统（S），所述机电一体式插塞连接器系统具有主触头（8）、和在拔出操作时迟缓的辅助触头（9）、以及与辅助触头（9）串联联接且与主触头（8）并联联接的用于去除在拔出操作时产生的电弧的半导体电子器件（10），其中，半导体电子器件（10）具有两个串联联接的半导体开关（10a、10b）和与半导体开关（10a、10b）连接的蓄能器（10e），该蓄能器为了充电而在半导体开关（10a、10b）之间截获拔出操作过程中产生的电弧电压。本发明还涉及多头插塞系统（Sn），所述多头插塞系统具有至少两个插塞连接器（S）以及具有插塞连接器（S）所公用的半导体电子器件（10），所述插塞连接器分别具有主触头（8）和迟缓的辅助触头（9），所述半导体电子器件与每个辅助触头（9）经由二极管（17）串联联接。

Description

机电一体式插塞连接器系统

技术领域

本发明涉及一种机电一体式插塞连接器系统，该机电一体式插塞连接器系统具有主触头、和在拔出操作时迟缓于主触头的辅助触头、以及与辅助触头串联联接且与主触头并联联接的用于去除在拔出操作时产生的电弧的半导体电子器件。本发明还涉及多头插座或插座板类型的机电一体式多头插塞系统。

背景技术

由DE102 25 259B3已知一种电插塞连接器，该连接器具有主触头和在拔出操作过程中迟缓于该主触头的辅助触头，以及呈晶体管或晶闸管形式的半导体开关元件，该半导体开关元件与辅助触头串联联接并相对主触头并联联接。该半导体开关元件借助矩形波发生器不仅在插塞的主触头的情况下、而且在释放的（拉开的）主触头的情况下持续地被驱控，并且在此周期性地接通和切断。在辅助触头分离之前半导体开关元件已被打开，其中流动经过半导体开关元件的电流还在时间上先于触头分离地在辅助触头上中断或者至少减小，从而不会产生强大的电弧。

虽然，在插塞的主触头的情况下，由于引导通过该主触头的电流流动使得与主触头并联的半导体开关是无电流的。但是，由于矩形波发生器持续地处于工作中，所以半导体开关也被持续地操纵，也就是说，周期性地接通和切断。

发明内容

本发明基于如下任务：提供一种特别合适的机电一体式插塞连接系统。此外还会提供具有多个机电一体式插塞连接的多头插塞系统。

关于该机电一体式插塞连接系统，所述任务根据本发明通过权利要求1的特征解决。有利的设计方案和改进方案是引用该权利要求的从属权利要求的主题。

该机电一体式插塞连接系统包括主触头，该主触头由主插塞触头和主配对触头、尤其是插塞套筒组成。此外，该插塞连接系统包括辅助触头，该辅助触头由辅助插塞触头和辅助配对触头（又是尤其呈插塞套筒的形式）组成。用于去除在拔出操作过程中产生的电弧的半导体电子器件与辅助触头串联联接，其中该串联电路并联于主触头。在拔出操作过程中，辅助触头迟缓于主触头，为此，在处于插塞状态的插塞套筒的情况下，在主触头中，主插塞触头的触针与主配对触头的触头末端（也就是它的套筒口边缘）之间的距离（下面也称为触头差）小于在辅助插塞触头情况下的距离。

根据本发明使用的半导体电子器件具有两个串联联接的半导体开关，优选为IGBT和MOSFET。在这两个半导体开关之间引导有蓄能器，该蓄能器为了其充电而在半导体开关之间截获拔出操作过程中产生的电弧电压。

插塞连接系统（下面也称为插塞连接器）的主触头联接在直流电压源与负载或负载接头之间的流出导体或回流导体中。在此，主插塞触头与负载或者说与负载接头连接，而，主配对触头与直流电压源连接。类似地，并联联接于主触头的辅助触头的辅助插塞触头与负载或者说负载接头连接，并且辅助配对触头通过半导体电子器件并且在此通过两个半导体开关的串联电路与直流电压源（DC电源）连接。

在一个符合目的的改进方案中，第三触头直接与直流电压源连接，所述第三触头又具有与负载或者说负载接头连接的插塞触头、以及同样以合适的方式实施成插塞套筒形式的配对触头。在此，如果主触头位于流出导体中，那么第三触头联接在回流导体中。另一种情况，如果主触头位于在直流电压源与负载或者说负载接头之间的回流导体中，那么第三触头联接在流出导体中。

在该改进方案的特别优选的设计方案中，在拔出操作时，也就是在插塞连接的打开或拉开期间，第三触头迟缓于主触头。为此，类似地，在插塞状态下，插塞触头的触针与配对触头的触头末端（也就是在插塞套筒的情况下它的套筒口边缘）之间的距离（触头差）大于在主触头情况下的距离，并且例如等于辅助插塞触头的这种距离。

关于机电一体式多头插塞系统的任务根据本发明通过权利要求6的特征解决。有利的设计方案和改进方案是引用该权利要求的从属权利要求的主题。

该多头插塞系统具有至少两个插塞连接器（插塞连接器系统），所述插塞连接器分别具有主触头和辅助触头，所述辅助触头在拔出操作时迟缓于主触头。一个或者每个插塞连接器又可以具有第三触头。该第三触头的插塞触头以合适的方式设计，以使得第三触头在拔出操作过程中迟缓于辅助触头。

多头插塞系统的各个插塞连接器在并联于主触头的电流路径中具有二极管，所述电流路径具有由半导体电子器件和辅助触头（尤其是其辅助配对触头）组成的串联电路。如果该辅助触头和半导体电子器件联接在正极侧（Plusseite）、或者以平行于在DC电源与负载（负载接头）之间的正导线或流出导体的方式联接，那么该二极管在阳极侧与半导体电子器件连接并且在阴极侧与辅助触头连接。

在拔出操作时，其它插塞连接器的二极管防止了半导体电子器件经由多头插塞系统中的其它插塞连接器的插塞的插塞触头发生短路，方法是，抑制了通过存在的导体连接、以及通过多头插塞系统的一个或多个插塞的主触头和辅助触头形成的平行于半导体电子器件的电流流动。

附图说明

下面参照附图更详细地解释本发明的实施例。其中：

图1示意性地示出了一种机电一体式插塞连接系统，其具有主触头和辅助触头以及半导体电子器件，该半导体电子器件具有两个串联联接的半导体开关和蓄能器；

图2以根据图1的示图示出了一种插塞连接系统，该插塞连接系统具有敏捷于辅助触头的附加的第三触头；

图3示出一种根据图2的插塞连接系统，该插塞连接系统具有迟缓于主触头的附加的第三触头；并且

图4示出一种机电一体式多头插塞系统，其具有多个插塞连接器（插塞连接系统），所述插塞连接器分别具有主触头、辅助触头和第三触头，并且还具有插塞连接器共用的半导体电子器件。

彼此相应的部件在所有的图中以相同的附图标记标注。

具体实施方式

图1至4中所示的插塞连接器或插塞连接器系统S、S_n设置用于具有15V至约1500V的直流电压和0.5A至约50A的直流电流（DC）的直流电压网或者说直流电流网。

如果电源电压超过15V并且流动通过一个或多个导体的工作电流超过约0.5A，那么在负载下拉开或释放（下面称为拔出操作）电插塞连接器（插塞连接器系统）期间，可能在触头之间产生电弧。除了直接的人员危险，触头系统会由于烧损而受损害，并且绝缘材料会由于电弧等离子体的高温而受损害，这又会导致次生损害。

此外，对于具有整合的电弧抑制功能的这种类型的DC插塞连接器系统的设计，可以考虑直到某一电弧长度时才可以消除电弧，并且用于达到该电弧长度的最终时间依赖于在拔出操作时的拉开运动速度和电源电压以及负载和触头材料。

这些设计方面的规定，借助根据本发明的插塞连接器系统（图1至3）和多头插塞系统（图4）不仅被可靠地实行，而且还以简单的方式和以实际上最小的性能损失的方式实行。该插塞连接器系统（图1至3）或多头插塞系统（图4）特别有利地适合于布线系统。

图1示意性地示出一种下面简称为插塞连接器的、位于直流电源或者说直流电压源（DC电源）2与在该电源上工作的负载2或负载组之间的插塞连接器系统S，该插塞连接器系统具有电源侧套筒单元4和负载侧插塞单元5，并具有电缆线路，所述电缆线路具有用于将负载3与DC电源2连接的流出导体6和回流导体7。插塞连接器1包括一个主触头8，该主触头具有主插塞触头8a和呈插塞套筒形式的主配对触头8b。套筒单元4和插塞单元5机械式固定地、然而又彼此可拆卸地连接。

在该实施例中配属流出导体6的主触头8配属有辅助触头9，该辅助触头具有辅助插塞触头9a和同样实施为插塞套筒的辅助配对触头9b。该主触头8和辅助触头9布置在套筒单元和插塞单元4、5内，以使得插塞单元5与主插塞触头8a和辅助插塞触头9a一起可以在拔出操作过程中从具有主配对触头8b和辅助配对触头9b的套筒单元4中拉出。

半导体电子器件10与辅助触头9串联联接，该半导体电子器件通过电连接或者电源侧的旁路导线11与流出导体6连接。类似地，辅助插塞触头9a通过导电连接或者通过负载侧旁路导线12与主插塞触头8a连接并因此与流出导体6连接。由半导体电子器件10和辅助触头9组成的串联电路因此与主触头8并联联接。

可以辨识的是，主触头8并且进而其主插塞触头8a比辅助触头9或者说其辅助插塞触头9a长。主触头8的接触距离L_Ha（在主插塞触头8a的触针与主配对触头8b的套筒口边缘之间）因此小于辅助触头9的接触距离L_Hi（在辅助插塞触头9a的触针与辅助插塞触头9a的套筒口边缘之间的）。因此，辅助触头9在拔出操作过程中迟缓于主触头8。换言之，当在拔出操作期间主触头8的主插塞触头8a与主配对触头8b之间的直接连接已去除，且在可能的情况下被电弧桥接时，辅助插塞触头9a和辅助配对触头9b仍然处于机械式连接且因此处于导电连接。

在图示的状态下，经过半导体电子器件10的旁路（电流路径）11、12是无电流的，从而该电子器件不消耗能量。半导体电子器件10以合适的方式包括由呈IGBT（绝缘栅双极型晶体管）形式的第一半导体开关10a和呈MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）形式的第二半导体开关10b组成的串联电路。这两个半导体开关10a和10b在基极侧或者栅极侧以及通过设置在基极和栅极之间的抽头10c与控制电路10d连接，该控制电路包含优选呈电容器形式的蓄能器10e和定时器10f。在两个半导体开关10a和10b之间的抽头10c与蓄能器10e连接。

在拉开插塞单元5时、并因此在拔出操作过程中，可能首先在主插塞触头8a与主配对触头8b之间产生电弧。由此导致的电压差将半导体电子器件10激活，该半导体电子器件于是接收由此从主触头8向辅助触头9传输的电流。在拔出操作过程中由于电弧导致的电弧电压在两个半导体开关10a和10b之间被截获，并且使用于蓄能器10e的充电。由此储存的蓄存电能使用于半导体开关10a和10b的连通，其中首先将第一半导体开关（IGBT）10a并且之后将第二半导体开关（MOSFET）10b导通联接。同时，将定时器10f启动。在经过由定时器10f设定的或预定的时间段后，将半导体开关10a和10b截止并引导进入非导通状态。在电弧期间流动的电流在定时器10f的时间长度上被引导通过辅助触头9和半导体电子器件10，从而可以消除电弧。

选定主触头和辅助触头8或9之间的触头差ΔL_H=L_Hi-L_Ha，以使得在拔出操作过程中、在主插塞触头8a与主配对触头8b之间可以产生电弧。在此，接触距离L_Hi和L_Ha是插塞触头8a、9a各自的触针与所属配对触头8b或9b的开口边缘或套筒边缘之间的距离。在此，选定触头差的量值ΔL_H，以使得在主触头中产生电弧的情况下剩余足够的时间来将该电弧去除并截止电流流动。因此，在辅助触头9中、在其辅助插塞触头与辅助配对触头9a或9b之间不会再产生电弧。

除了设定或确定主触头与辅助触头8或9之间的触头差ΔL_H，还选定半导体电子器件10的定时器10f，以使得在拔出操作的典型拉开速度的情况下并且根据电源电压和负载3，为机电一体式插塞连接器系统1剩余足够的时间，直到所有触头8、9完全地机械式分离。

在根据图2和3的实施方式中，机电一体式插塞连接器系统1包括第三触头13，该第三触头又具有插塞触头13a和同样实施为套筒的配对触头13b。第三触头13用其配对触头13b与主配对触头和辅助配对触头8b或9b一起整合到套筒单元4中，并且第三触头13用其插塞触头13a与主插塞触头和辅助插塞触头8a或9a一起整合到插塞单元5中。第三触头13在本实施例中位于回流导体7中。

在根据图2的实施例中第三触头13具有比辅助触头9小并且与主触头8相等的接触距离L_Ha，而，在根据图3的实施方案中第三触头13的接触距离等于辅助触头9的接触距离L_Hi。也可以将插塞触头8a、9a和/或13a设计成等长并且将配对触头（套筒）8b、9b或13b相应地设计成不等长。

在拔出操作过程中，也就是说，在将插塞单元5从套筒单元4拉开时，在根据图2的实施方式中也可能在第三触头13的插塞触头13a与配对触头13b之间产生电弧。电子器件10的工作方式相应于上述的实施方案。由于在拔出操作期间、在辅助触头9和半导体电子器件10的串联电路上传输的电流，不仅在主触头8而且在第三触头13上将电弧消除，从而，一方面触头8a与13a之间的电压差、另一方面触头8b与13b之间的电压差趋于零。

在根据图3的实施方式中，一方面通过相应调整在主触头8以及辅助触头9和第三触头13之间的距离差ΔL_H，另一方面在相应设定半导体电子器件的定时器10e的情况下，在辅助触头9和第三触头13上（也就是在它们的插塞触头和配对触头9a与9b或13a与13b之间）同样不出现电弧。

图4中示意性示出的多头插塞系统S_n包括多个插塞连接器S₁、S₂、S₃，其中可以存在其它可能的插塞连接器S。插塞连接器S_1…n中的每一个都与根据图2的、具有套筒-插塞单元4、5中的主触头8和辅助触头9以及第三触头13的实施方案类似地构造。插塞连接器S_1…n一起接合到DC电源2上。插塞连接器S_1…n中的每一个都配属有负载3。同样，单一的半导体电子器件10对于所有的插塞连接器S_1…n是公用的，该半导体电子器件与图1类似地包括串联电路，该串联电路具有两个半导体开关10a和10b以及控制单元10e的定时器10f和蓄能器10d。

插塞连接器S_1…n的主触头8通过导线14与流出导体6连接。同样，所有插塞连接器S_1…n的辅助触头9通过导线15与旁路导线11、12连接并因此与电子器件10连接。通过导线16，所有插塞连接器S_1…n的第三触头13与回流导体7连接。

为了避免在多头插塞系统S_n的单个插塞连接器S_1…n的拔出操作过程中发生短路，为每个插塞连接器S_1…n的辅助触头9配属二极管17。该二极管整合到各个套筒-插塞单元4、5中并且在此以合适的方式整合到套筒单元4中。每个二极管17在阳极侧都与半导体电子器件10连接，并且在阴极侧都与每个插塞连接器S_1…n的辅助触头9的辅助配对触头9a连接。

在插塞连接器S_n的拔出操作期间，其它插塞连接器S₁、S₂、S₃的二极管17防止半导体电子器件10经由多头插塞系统S_n中的其它插塞连接器S₁、S₂、S₃的插塞的插塞触头8、9、13发生短路，因为通过插塞的主触头和辅助触头8、9和/或13、从导线14到导线15的并联于半导体电子器件10的电流流动是不可能的。

附图标记列表

2        DC电源

3        负载

4        套筒单元

5        插塞单元

6        流出导体

7        回流导体

8        主触头

8a       主插塞触头

8b       主配对触头

9        辅助触头

9a       辅助插塞触头

9b       辅助配对触头

10       电子器件

10a      半导体开关（IGBT）

10b      半导体开关（MOSFET）

10c      抽头

10d      控制电路

10e      蓄能器

10f      定时器

11、12   旁路/旁路导线

13       第三触头

13a       插塞触头

13b       配对触头

14        导线

15        导线

16        导线

17        二极管

S         插塞连接器/插塞连接器系统

S_n        多头插塞系统

L_Ha       主触头/第三触头的接触距离

L_Hi       辅助触头/第三触头的接触距离

Claims (11)

1.机电一体式插塞连接器系统（S），其具有：由主插塞触头（8a）和主配对触头（8b）组成的主触头（8）；在拔出操作时迟缓于所述主触头（8）的、由辅助插塞触头（9a）和辅助配对触头（9b）组成的辅助触头（9）；以及与所述辅助触头（9）串联联接且与所述主触头（8）并联联接的用于去除在拔出操作时产生的电弧的半导体电子器件（10），

其特征在于，

所述半导体电子器件（10）具有两个串联联接的半导体开关（10a、10b）和与所述半导体开关（10a、10b）连接的蓄能器（10e），所述蓄能器为了充电而在所述半导体开关（10a、10b）之间截获拔出操作过程中产生的电弧电压。

2.根据权利要求1所述的机电一体式插塞连接器系统（S），

其特征在于，

-所述主触头（8）联接在从直流电压源（2）向负载（3）引导的流出导体（6）或回流导体（7）中，并且

-所述辅助触头（9）并联于所述主触头（8）。

3.根据权利要求1所述的机电一体式插塞连接器系统（S），

其特征在于，

作为半导体开关（10a、10b），设置有IGBT和与之串联联接的MOSFET。

4.根据权利要求2或3所述的机电一体式插塞连接器系统（S），

其特征在于

具有联接到所述回流导体（7）中或所述流出导体（6）中的、由插塞触头（13a）和配对触头（13b）组成的第三触头（13）。

5.根据权利要求4所述的机电一体式插塞连接器系统（S），

其特征在于，

所述第三触头（13）在拔出操作时迟缓于所述主触头（8）。

6.机电一体式多头插塞系统（S_n），其具有至少两个插塞连接器（S）以及一个用于去除在拔出操作过程中产生的电弧的半导体电子器件（10），所述插塞连接器分别具有：由主插塞触头（8a）和主配对触头（8b）组成的主触头（8）；在拔出操作时迟缓于所述主触头（8）的、由辅助插塞触头（9a）和辅助配对触头（9b）组成的辅助触头（9），

其特征在于，

所述插塞连接器（S）所公用的所述半导体电子器件（10）与每个所述辅助触头（9）经由所述半导体电子器件（10）的二极管（17）串联联接。

7.根据权利要求6所述的机电一体式多头插塞系统（S_n），

其特征在于，

所述半导体电子器件（10）具有两个串联联接的半导体开关（10a、10b）和与所述半导体开关（10a、10b）连接的蓄能器（10e），所述蓄能器为了充电而在所述半导体开关（10a、10b）之间截获拔出操作过程中产生的电弧电压。

8.根据权利要求6或7所述的机电一体式多头插塞系统（S_n），

其特征在于，

所述插塞连接器或者每个插塞连接器（S）具有由插塞触头（13a）和配对触头（13b）组成的第三触头（13）。

9.根据权利要求7所述的机电一体式多头插塞系统（S_n），

其特征在于，

所述第三触头（13）在拔出操作过程中敏捷于所述辅助触头（9）。

10.根据权利要求7所述的机电一体式多头插塞系统（S_n），

其特征在于，

所述第三触头（13）在拔出操作过程中迟缓于所述辅助触头（9）。

11.用于根据权利要求6至10之一所述的机电一体式多头插塞系统（S_n）的半导体电子器件（10），所述机电一体式多头插塞系统具有多个单独插塞连接器（S），尤其是多头插座或多头插板类型。

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