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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Stromschiene zur Herstellung einer elektrischen
Verbindung, wobei die Stromschiene aus einem elektrisch leitenden
Material mit hoher Stromtragfähigkeit besteht, sich in
eine Längsrichtung x erstreckt, und aus mehreren aneinander
angrenzenden Abschnitten aufgebaut ist, wobei die Stromschiene mit
mindestens zwei Befestigungsabschnitten an einer Trägerfläche
fixiert werden kann.
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Eine
solche Stromschiene ist beispielsweise aus
DE 196 46 264 bekannt.
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Stromschienen
werden eingesetzt, um schnell und sicher elektrische Verbindungen
zwischen zwei stromführenden Bauteilen herzustellen. Hierzu
wird die Stromschiene an mehreren Abschnitten in oder an einem Gehäuse
befestigt.
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Derartige
Stromschienen werden insbesondere bei Stromversorgungsboxen im Automobilbau verwendet.
Da in solchen Stromversorgungsboxen hohe Ströme fließen
(ca. 200 A), erhitzt sich die Stromschiene im Betrieb und es kommt
zu einer Wärmeausdehnung, was wiederum zu mechanische Spannungen
zwischen der Stromschiene und dem Gehäuse führt.
Aufgrund dieser mechanischen Belastung des Gehäuses bei
der Wärmeausdehnung wird das Gehäuse, welches
i. A. aus Kunststoff gefertigt ist, verformt. Dabei kann es zur
Bildung von Rissen kommen und Feuchtigkeit kann in das Gehäuse eintreten.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Stromschiene vorzuschlagen,
mit der es möglich ist, auch bei Belastung mit hohen Stromstärken
mechanische Spannungen zwischen der Stromschiene und einer mit dieser
Stromschiene fest verbundenen Trägerfläche zu
minimieren.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Stromschiene mindestens einen Kompensationsabschnitt aufweist,
welcher zwischen zwei Befestigungsabschnitten angeordnet und geometrisch
so gestaltet ist, dass er einerseits eine höhere Wärmeabgabefähigkeit
aufgrund erhöhter Konvektion und/oder Wärmeabstrahlung
aufweist als die angrenzenden Abschnitte der Stromschiene, und dass
andererseits bei Wärmeausdehnung der Stromschiene im fixierten
Zustand ein lokales Ausweichen des Materials des Kompensationsabschnitts
quer zur x-Richtung durch lokale Deformation des Kompensationsabschnitts
ermöglicht wird.
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Der
erfindungsgemäße Kompensationsabschnitt dient
also als zusätzliche Kühlfläche. Durch die
erhöhte Wärmeabgabefähigkeit des Kompensationsabschnitts
wird die Wärmeentwicklung und somit die Ausdehnung des
Materials der Stromschiene verringert.
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Die
Möglichkeit des lokales Ausweichens des Materials der Stromschiene,
bewirkt, dass die Kräfte, die bei Wärmeausdehnung
des Materials der Stromschiene auf die Befestigungspunkte der Stromschiene
an der Trägerfläche wirken, so klein gehalten werden,
dass die Trägerfläche, bspw. eines Gehäuses,
auch bei hohen Strömen nicht zerstört wird. Die bei
der Ausdehnung wirkenden Kräfte werden auf den Bereich
des Kompensationsabschnitts konzentriert, der so gestaltet ist,
dass er leichter verformbar ist, als die Befestigungsabschnitte.
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Die
Deformation der Stromschiene wird also einerseits reduziert durch
eine geringere Wärmeentwicklung und andererseits mittels
eines gegenüber den Befestigungsabschnitten flexibleren
Kompensationsbereichs in einen definierten Bereich gelenkt.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Stromschiene sieht vor, dass der Kompensationsabschnitt mindestens
einen Verbindungssteg umfasst, welcher die beiden an den Kompensationsabschnitt
angrenzenden Abschnitte der Stromschiene miteinander verbindet.
Der Verbindungssteg weist einen gegenüber den angerenzenden
Abschnitten kleineren Querschnitt auf und kann somit einfacher verformt
werden als die angerenzenden Abschnitte. Auf diese Weise werden
die aufgrund der Ausdehnung auftretenden Kräfte größtenteils
zur Verformung dieser Verbindungsstege verwendet.
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In
einer besonderen Ausführungsform umfasst der Kompensationsabschnitt
mehrere Verbindungsstege mit dazwischen liegenden Durchgangsschlitzen.
Die Anzahl der Verbindungsstege ist abhängig von der Stromstärke,
die über die Stromschiene fließen soll, und von
der Dicke der Verbindungsstege (je dünner die Verbindungsstege,
desto mehr Verbindungssteg sind notwendig, um die benötigte Stromtragfähigkeit
zu gewährleisten).
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen,
dass der Kompensationsabschnitt gebogene Verbindungsstege ohne dazwischen
liegende Durchgangsschlitze umfasst, wobei benachbarte Verbindungsstege
jeweils alternierend in eine y-Richtung bzw. eine –y-Richtung
quer zur x-Richtung gebogen sind. D. h. die Verbindungsstege verlaufen
zumindest teilweise in eine von der x-Richtung abweichende Richtung.
Hierdurch wird eine vergrößerte Oberfläche
realisiert und somit eine verbesserte Kühlwirkung erreicht.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, wenn die Verbindungsstege durch abfalllose
Durchschneiden und anschließendes Formen hergestellt sind.
Hierdurch wird eine erhöhte Wärmeabfuhr ohne Querschnitteinbuße
des Materials ermöglicht. Der Kompensationsabschnitt kann
also den gleichen Leitungsquerschnitt aufweisen wie die angrenzenden Abschnitte,
wodurch eine konstante Stromtragfähigkeit über
die verschiedenen Abschnitte der Stromschiene realisiert werden
kann.
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Vorzugsweise
sind mindestens drei Verbindungsstege vorgesehen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verbindungsstege
quer zur x-Richtung gebogen. Die Verbindungsstege verlaufen abschnittsweise
entlang einer Richtung, die eine Komponente senkrecht zur Längsrichtung
der Stromschiene aufweist, bspw. in Form eines Bogens. Somit wird
bewirkt, dass durch eine Deformation des Kompensationsabschnitts
keine nennenswerten Kräfte auf die Fixierungspunkte der
Stromschiene wirken, da die durch die Ausdehnung der an den Kompensationsabschnitt angerenzenden
Bereiche auftretenden Kräfte in eine Richtung senkrecht
zur Längsrichtung der Stromschiene umgelenkt werden (Ausweichmöglichkeit des
Stromschienenmaterials).
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Verbindungssteg
schlangenförmig oder mäanderförmig gestaltet.
Alternativ hierzu kann der Verbindungssteg auch die Form eines Bogens oder
eines Dreiecks aufweisen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Stromschiene einschließlich
Kompensationsabschnitt einstückig aufgebaut ist. Die Stromschiene
kann dann in einem einzigen Arbeitsgang und somit kostengünstig hergestellt
werden.
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Alternativ
hierzu kann die Stromschiene mehrstückig ausgestaltet sein,
wobei mindestens zwei Teilstücke der Stromschiene jeweils
einen Kompensationsabschnitt aufweisen, und dass ein flexibles hochstromtragfähiges
Element an seinen beiden Enden innerhalb der Kompensationsabschnitte
der benachbarten Teilstücken befestigt ist. Das flexible hochstromtragfähige
Element kann beispielsweise in den Kompensationsabschnitten verklemmt
sein. Als flexibles hochstromtragfähiges Element kann ein
anders Material verwendet werden als das Material der Stromschiene.
In dieser Ausführungsform erlaubt neben den Kompensationsabschnitten
auch das flexible hochstromtragfähige Element eine verbesserte Wärmeabgabe
und eine Ausweichmöglichkeit des Materials bei Ausdehnung.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform,
bei der das flexible Element ein Masseband ist. Unter einem Masseband
versteht man einen flexiblen Rechteckleiter, der in der Regel aus
einem Zopfgeflecht besteht. Massebänder eignen sich besonders
gut zum Leiten großer Ströme.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die
weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder
zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten
und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende
Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften
Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Zeichnung und detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromschiene mit einem schlangenlinienförmigen Verbindungssteg;
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2 eine
perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromschiene mit mehreren
bogenförmigen Verbindungsstegen;
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3 eine
perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromschiene mit alternierend
gebogenen Verbindungsstegen;
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4a eine
perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromschiene mit zwei Kompensationsabschnitten mit
alternierend gebogenen Verbindungsstegen und einem flexiblen Element;
und
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4b eine
aufgeschnittene perspektivische Darstellung der Stromschiene aus 4a.
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Die
in den Figuren gezeigten Stromschienen erstrecken sich in x-Richtung,
welche im Betrieb die Stromflussrichtung ist und weisen jeweils
zwei Befestigungsabschnitte 1 auf, an denen die Stromschiene an
einer Trägerfläche (nicht gezeigt) befestigt werden kann.
Eine solche Befestigung kann beispielsweise durch Verschraubung
o. ä. realisiert werden. Dazu sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen
in den Befestigungsabschnitten 1 Befestigungspunkte in Form
von Ausnehmungen 2 vorgesehen, durch die Befestigungsmittel
hindurch geführt werden können. Es ist jedoch
auch möglich, die Stromschiene mit der Trägerfläche
zu verkleben oder anderweitig mechanisch zu befestigen. Zwischen
den Befestigungsabschnitten 1 ist ein Kompensationsabschnitt 3a, 3b, 3c, 3d angeordnet,
der einen oder mehrere Verbindungsstege 4a, 4b, 4c, 4c', 4d umfasst,
die zumindest teilweise quer zur x-Richtung verlaufen, wodurch ein
lokales Ausweichen des Materials der Stromschiene quer zur x-Richtung
ermöglicht wird. Durch die Ausgestaltung des Kompensationsabschnitts
in Form von Verbindungsstegen ergibt sich darüber hinaus
eine gegenüber den angrenzenden Abschnitten (hier: Befestigungsabschnitte 1)
eine vergrößerte Oberfläche pro Abschnittsfläche.
Dies ermöglicht eine verbesserte Wärmeabfuhr,
wodurch die Ausdehnung der Stromschiene verringert werden kann.
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1 zeigt
eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Stromschiene, bei der der Kompensationsabschnitt 3a einen
einzigen Verbindungssteg 4a umfasst. Der Verbindungssteg 4a ist
schlangenlinienförmig in der Ebene der angerenzenden Abschnitte
gewunden und verläuft größtenteils in z-Richtung
(senkrecht zur x-Richtung). Der Kompensationsabschnitt 3a kann
somit klein gehalten werden. Der Kompensationsabschnitt erfüllt
jedoch auch seine Aufgabe, wenn die Windungen des Verbindungsstegs 4a weniger
dicht angeordnet sind. Erwärmt sich die Stromschiene, erfolgt
infolge der Fixierung der Befestigungsabschnitte 1 an den
Befestigungspunkten eine Ausdehnung der Befestigungsabschnitte 1 in
Richtung Kompensationsabschnitt 3a. Durch die Ausgestaltung
des Kompensationsabschnitts 3a in Form eines Verbindungsstegs 4a weist der
Kompensationsabschnitt 3a eine gegenüber den Befestigungsabschnitten 1 erhöhte
Flexibilität auf. Der Verbindungssteg 3a wirkt
wie eine Feder, so dass der Kompensationsabschnitt 3a durch
die aufgrund der Ausdehnung der Befestigungsabschnitte 1 auf
ihn wirkenden Kräfte komprimiert und somit die Ausdehnung
der Stromschiene in x-Richtung kompensiert wird. Selbiges gilt für
die in 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen.
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2 zeigt
eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Stromschiene, bei der der Kompensationsabschnitt 3b drei
bogenförmige Verbindungsstege 4b umfasst, die
so gebogen sind, dass der Verlauf der Verbindungsstege 4b zumindest
teilweise eine Komponente in y-Richtung aufweisen (in y-Richtung
gebogen), wobei die y-Richtung nicht in der Ebene der Befestigungsabschnitte 1 liegt.
Zwischen den einzelnen Verbindungsstegen 4b befinden sich
Durchgangsschlitze, durch die hindurch Luft strömen kann,
so dass eine erhöhte Wärmeabgabefähigkeit
erreicht wird. Bei Ausdehnung der Stromschiene erfolgt ein Ausweichen
des Materials des Kompensationsabschnitts 3b, indem der
Verbindungssteg 4a stärker in y-Richtung verbogen
wird.
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In 3 ist
eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Stromschiene gezeigt, bei der die Verbindungsstege 4c, 4c' ebenfalls
bogenförmig gestaltet sind. Im Gegensatz zu der in 3 gezeigten Ausführungsform
befinden sich hier zwischen benachbarten Verbindungsstegen 4c und 4c' keine Durchgangsschlitze,
sondern benachbarte Verbindungsstege 4c, 4c' sind
in entgegengesetzte Richtungen y bzw. –y gebogen. Dies
hat zur Folge, dass jeweils zwischen zwei Verbindungsstegen 4c,
die in y-Richtung gebogen sind, ein Freiraum existiert; ebenso zwischen
zwei Verbindungsstegen 4c', die in –y-Richtung
gebogen sind. Dies hat den Vorteil, dass einerseits Luft zwischen
den einzelnen Verbindungsstegen 4c, 4c' zirkulieren
und andererseits der Querschnitt der angrenzenden Abschnitte und
damit die Stromtragfähigkeit beibehalten werden kann. Die
in 3 gezeigte Ausführungsform kann durch
abfallloses Durchschneiden und anschließendes Formen hergestellt
werden.
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4a, 4b zeigen
eine besonders flexible Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschiene.
Die Stromschiene umfasst hier zwei Teilstücke 5, 6,
die voneinander beabstandet und über ein flexibles hochstromtragfähiges
Element 7, bspw. ein Masseband, miteinander verbunden sind. Jedes
Teilstück 5, 6 weist einen Befestigungsabschnitt 1 sowie
einen Kompensationsabschnitt 3d auf. Bei Ausdehnung der
Stromschiene nähern sich die beiden Kompensationsabschnitte 3d aneinander an,
so dass der Abstand zwischen den Kompensationsabschnitten 3d kleiner
wird. Durch die Flexibilität des hochstromtragfähigen
Elements wird gewährleistet, dass Strom über die
Stromschiene fließen kann unabhängig vom Dehnungszustand
und somit unabhängig von der Temperatur der Stromschiene.
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Jeder
Kompensationsabschnitt 3d umfasst Verbindungsstege 4d,
die in einer Richtung quer zur x-Richtung gebogen sind. Diese Stege 4d dienen
zur Kühlung und haben gegenüber den Verbindungsstegen 4a, 4b, 4c der
zuvor beschriebenen Ausführungsformen die zusätzliche
Funktion, das flexibles hochstromtragfähige Element 7 zu
halten, insbesondere zu verklemmen, um somit eine leitende Verbindung
zwischen den beiden Teilstücke 5, 6 der
Stromschiene herzustellen. Dies wird insbesondere dadurch realisiert,
dass sowohl in y-Richtung gebogenen als auch in –y-Richtung
gebogene Verbindungsstege an jeweils mindestens einem Ende der Teilstücke 5, 6 der
Stromschiene vorgesehen sind, die „Taschen” bilden,
in denen das flexible Element verklemmt werden kann. Es ist auch
möglich mehr als zwei Teilstücke pro Schiene vorzusehen,
wobei die Teilstücke, die von zwei weiteren Schienenteilen
umgeben sind an beiden Enden einen Kompensationsabschnitt aufweisen.
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Die
erfindungsgemäßen Stromschienen bestehen hauptsächlich
aus einem Material mit hoher Stromtragfähigkeit und können
durch Stanzen (aus Metallblech, insbesondere Kupfer) oder durch
Druckguß (bspw. aus Aluminium) hergestellt werden. Neben
der Kompensation der Ausdehnung der Stromschiene in x-Richtung können
aufgrund der Flexibilität der Verbindungsstege 4a, 4b, 4c, 4c', 4d und
des flexiblen Elements 7 auch Torsionsbewegungen kompensiert
werden.
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Die
erfindungsgemäße Stromschiene eignet sich besonders
für Hochstromanwendungen, z. B. für Stromversorgungsboxen
im Kfz-Bereich oder zur Verbindung von Batteriemodulen in Elektroautos.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Befestigungsabschnitt
- 2
- Ausnehmung
an Befestigungspunkt
- 3a,
3b, 3c, 3d
- Kompensationsabschnitt
- 4a,
4b, 4c, 4c', 4d
- Verbindungssteg
- 5
- Flexibles
Element
- 6,
7
- Teilstücke
der Stromschiene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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