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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Hochstromkontaktelement gemäß Anspruch 1 sowie einen elektrischen Steckverbinder nach Anspruch 9.
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Solche Hochstromkontaktelemente werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen, insbesondere im Bereich von elektrischen Hybridantrieben, eingesetzt. Technisches Problem bei der Kontaktierung der mit hohen Strömen arbeitenden Stromspeicher ist die hierbei auftretende Wärme. Wegen der erforderlichen Betriebssicherheit erfolgt die Kontaktierung typischerweise unter Einsatz einer federnden Komponente, die eine mechanische Anpresskraft erzeugt. Die Kontaktnormalkraft muss ausreichend groß sein und über die Lebensdauer aufrecht erhalten bleiben, um die Funktionsfähigkeit des Antriebs zu gewährleisten. Die Leistungsfähigkeit der federnden Komponente und damit der Steckverbindung wird durch die thermische Begrenzung der federnden Komponente limitiert, da bei höheren Temperaturen ein Erweichen durch Abbau der Eigenspannung stattfindet.
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Darüber hinaus besteht das technische Problem, dass auf Grund der hohen Ströme beträchtliche Leitungsquerschnitte vorgesehen werden müssen.
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Ein weiteres technisches Problem stellen die beim Betrieb von Fahrzeugen auftretenden Vibrationen und Stöße dar.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein einfach zu fertigendes, verschleißarmes Hochstromkontaktelement vorzusehen, mit dem eine dauerhafte und sichere elektrische Verbindung insbesondere bei hohen Temperaturen geschaffen wird.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, durch Temperatursteigerung die Kontaktkraft zwischen dem Hochstromkontaktelement und einem korrespondierenden, zu kontaktierenden Gegenkontakt selbstregelnd zu erhöhen, um die mechanischen und/oder elektrischen Kontakteigenschaften zu verbessern. Das erfindungsgemäße Hochstromkontaktelement zur Übertragung von Strom von einer, insbesondere einen als Kontaktbuchse ausgebildeten Gegenkontakt umfassenden, Stromquelle zu einem, insbesondere mit dem Hochstromkontaktelement und dem Gegenkontakt in elektrischen Kontakt bringbaren, elektrischen Leiter eines Stromabnehmers dient damit einerseits zur mechanischen Verbindung und andererseits zur elektrischen Kontaktierung des Stromabnehmers mit der Stromquelle über eine Kontaktfläche A des Hochstromkontaktelements mit dem Gegenkontakt. Indem die mechanische Verbindung bei durch Stromfluss steigender Temperatur des Hochstromkontaktelements durch das Hochstromkontaktelement selbsttätig gestärkt wird, wird auf einfache Art und Weise das insbesondere bei hohen Temperaturen bestehende Problem der sicheren Kontaktierung des Gegenkontakts gelöst, was den Einsatz des Hochstromkontaktelements sowie solcher elektrischen Steckverbinder bei höheren Temperaturen, insbesondere über 200°C und bis zu 400°C, ermöglicht.
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Das Hochstromkontaktelement kann mit Vorteil als Stecker vorgesehen sein, während der Gegenkontakt als den Stecker aufnehmende Kontaktbuchse ausgebildet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist auch die Kontaktbuchse mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des Hochstromkontaktelements versehen, so dass eine doppelte Wirkung der Kontaktverstärkung gegeben ist.
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Die mechanische Verbindung wird durch die an der Kontaktfläche anliegende Kontaktkraft sowie die Kontaktfläche beeinflusst und mit Vorteil wird die Kontaktkraft und/oder die Kontaktfläche durch Erwärmung bei Stromfluss vergrößert, so dass bei höherer Temperatur ein immer festerer Kontakt und/oder eine größere Kontaktfläche vorgesehen ist. Eine spezielle Ausführungsform besteht darin, dass der Kontaktdruck durch gleichzeitige Erhöhung der Kontaktkraft und der Kontaktfläche im Wesentlichen konstant bleibt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Hochstromkontaktelement sich bei Temperaturanstieg selbsttätig in Richtung des Gegenkontakts verformend ausgebildet ist. Es müssen demnach bei dieser Ausführungsform keine gelenkigen Verbindungen geschaffen werden, da die selbsttätige Verstärkung der mechanischen Verbindung allein durch Verformung des Hochstromkontaktelements erfolgt. Auf eine zusätzliche Federung zum Anpressen des Hochstromkontaktelements und zur Sicherstellung der elektrischen Verbindung kann erfindungsgemäß verzichtet werden.
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Mit Vorteil ist weiterhin vorgesehen, dass das Hochstromkontaktelement an einem ersten elektrischen Leiter angeformt, insbesondere angeschweißt, ist. Durch diese Maßnahme wird die Beweglichkeit des Hochstromkontaktelements in nur einer Richtung erlaubt, so dass die Kontaktierung eines der beiden elektrischen Leiter bereits durch Materialschluss gegeben ist.
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Indem das Hochstromkontaktelement ein gerollter, insbesondere walzplattierter, vorzugsweise als Bimetall ausgebildeter, Metallstreifen ist, kann das Hochstromkontaktelement auf einfachste und kostengünstige Art und Weise in Massenfertigung hergestellt werden. Bei dem Bimetall handelt es sich vorzugsweise um ein Thermobimetall, vorzugsweise eines der in nachfolgender technischer Spezifikation aufgeführten Thermobimetalle. Besonders bevorzugt sind die Thermobimetalle mit dem Kurzzeichen GCuZ. Für die erfindungsgemäße Ausgestaltung, insbesondere bei der Verwendung in hohen Temperaturbereichen zwischen 200°C und 400°C, also bei Leitung hoher Ströme, eignet sich am besten GCuZ6.
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Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Hochstromkontaktelement nicht umfangsgeschlossen und/oder rohrförmig, insbesondere in Axialrichtung zumindest teilweise konisch, vorzugsweise zylinderförmig, noch bevorzugter kreiszylinderförmig, ausgebildet ist. Indem am Umfang des Hochstromkontaktelements ein Schlitz in Axialrichtung vorgesehen ist, also das Hochstromkontaktelement nicht umfangsgeschlossen ausgebildet ist, ist das Hochstromkontaktelement einerseits auf einfache Art und Weise montierbar und andererseits schmiegt sich das Hochstromkontaktelement optimal an den Gegenkontakt an. Durch konische Ausgestaltung des Hochstromkontaktelements wird einerseits die Montage weiter erleichtert und andererseits eine bei Verformung des Hochstromkontaktelements automatisch ansteigende Kontaktfläche realisiert, so dass die Stromübertragung bei steigender Temperatur sogar noch verbessert wird, indem die Kontaktfläche zwischen dem Gegenkontakt und dem Hochstromkontaktelement vergrößert wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, das Hochstromkontaktelement als Bimetallstreifen mit einer von der Kontaktfläche A abgewandten ersten Metallschicht aus einem Material mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als eine zumindest teilweise die Kontaktfläche A bildende zweite Metallschicht auszubilden. Hierdurch kann auf kleinsten Raum ein selbsttätig verformendes Hochstromkontaktelement vorgesehen werden, das gleichzeitig optimale Leitfähigkeit besitzt, da es vollständig aus Metall gebildet ist. Besonders vorteilhaft ist es, die erste Metallschicht aus Aluminium und die zweite Metallschicht aus Kupfer, insbesondere als Kupferlegierung, besonders bevorzugt als Kupferlegierung der ersten Metallschicht, auszubilden.
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In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Hochstromkontaktelement an mindestens einem Ende in Axialrichtung verlaufende Einschnitte zur, insbesondere selbsttätigen Verriegelung des Hochstromkontaktelements mit dem Gegenkontakt aufweist. Die durch die Einschnitte gebildeten Abschnitte am Ende des Hochstromkontaktelements rollen sich auf Grund der Bimetalleigenschaft selbsttätig um den zu kontaktierenden Gegenkontakt, indem die durch die Einschnitte gebildeten Abschnitte den Gegenkontakt überragen.
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Erfindungsgemäß ist außerdem ein elektrischer Steckverbinder bestehend einem Hochstromkontaktelement nach der obigen Beschreibung und einem korrespondierenden Gegenkontakt vorgesehen, wobei das Hochstromkontaktelement eine elektrische Kontaktierung und eine mechanische Verbindung mit dem Gegenkontakt an einer Kontaktfläche A des Hochstromkontaktelements bewirkend ausgebildet ist.
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Für besonders hochwertige und extremen Verhältnissen ausgesetzte Verbindungen ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Gegenkontakt als zweites Hochstromkontaktelement mit den oben beschriebenen Merkmalen, aber in umgekehrter Ausgestaltung zu dem zu kontaktierenden Hochstromkontaktelement ausgebildet ist. Somit wirken beide Hochstromkontaktelemente bei dieser Ausgestaltung 'jeweils für sich erfindungsgemäß.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie an Hand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1a: Eine Radialansicht eines erfindungsgemäßen Hochstromkontaktelements in einer Ausgangslage,
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1b: eine perspektivische Ansicht des Hochstromkontaktelements gemäß 1a,
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2a: eine Radialansicht des erfindungsgemäßen Hochstromkontaktelements in einem verformten Zustand,
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2b: eine perspektivische Ansicht des Hochstromkontaktelements gemäß 2a,
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3: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß beschriebenen elektrischen Steckverbinders, bestehend aus dem Hochstromkontaktelement und einem korrespondierenden Gegenkontakt,
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4: eine perspektivische Ansicht des Steckverbinders gemäß 3 in gestecktem Zustand und
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5: eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Hochstromkontaktelements mit teilweise konischem Verformungsabschnitt.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit demselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1a, 1b, 2a und 2b zeigen ein Hochstromkontaktelement 1, das im vorliegenden Fall aus einer inneren, ersten Metallschicht 2 aus Aluminium und einer äußeren, zweiten Metallschicht 3 aus Kupfer gebildet ist. Die äußere Metallschicht 3 umschließt die innere Metallschicht 2 vollflächig und die erste Metallschicht 2 und die zweite Metallschicht 3 weisen einen gemeinsamen, sich in Radialrichtung erstreckenden Schlitz 5 auf, der je nach Zustand des Hochstromkontaktelements 1 kleiner oder größer ist.
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Im Fall des in 1a gezeigten Ausgangszustands bei Normaltemperatur, beispielsweise bei der Montage des Hochstromkontaktelements 1, ist der Schlitz 5 klein und erstreckt sich über einen Umfangswinkelabschnitt zwischen 1° und 10°, vorzugsweise zwischen 1° und 5°.
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In dem in 2a gezeigten, gegenüber 1a verformten Zustand ist der Schlitz weiter geöffnet, insbesondere über einen Umfangswinkel von 5° bis 90°, vorzugsweise 20° bis 50°.
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Durch die gezeigte Verformung wächst der Durchmesser D1 gemäß 1a auf einen Durchmesser D2 gemäß 2a an. Hierdurch wird, wenn das Hochstromkontaktelement 1 in einem als Kontaktbuchse ausgebildeten Gegenkontakt 20 gemäß 4 eingesetzt ist und mit einer Kontaktfläche A, die der äußeren Mantelfläche der zweiten Metallschicht 3 entspricht, in elektrischem Kontakt steht, eine über die gesamte Kontaktfläche A wirkende höhere Kontaktkraft erzeugt, wenn eine Verformung des Hochstromkontaktelements 1 gemäß 2a durch Temperaturerhöhung bewirkt wird. Die Temperaturerhöhung wird durch die Bimetalleigenschaft des als Thermobimetall ausgebildeten Hochstromkontaktelements 1 bewirkt, denn die innere, erste Metallschicht 2 weist einen deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.
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Die erste Metallschicht 2 und die zweite Metallschicht 3 sind an ihren Stirnflächen 6, 7 bündig und weisen gemäß 1b und 2b am Umfang der ersten und zweiten Metallschicht 2, 3 verteilt angeordnete Einschnitte 4 auf, die sich auf Grund der Bimetalleigenschaft des Hochstromkontaktelements 1 am Rand 21 des Gegenkontakts 20 um den Rand 21 des Gegenkontakts 20 in radialer Richtung entrollen, wenn der Gegenkontakt 20 mit seinem Rand 21 von dem Hochstromkontaktelement 1 an den Stirnflächen 6 und 7 überragt wird. Hierdurch wird eine Stabilisierung der radialen Lage des Hochstromkontaktelements 1 in dem Gegenkontakt 20 erreicht. Diese Maßnahme kann auch an der gegenüberliegenden Seite des Hochstromkontaktelements 1 entsprechend vorgesehen sein, so dass in beiden Richtungen bei steigender Temperatur eine zusätzliche Stabilisierung des Hochstromkontaktelements 1 in dem Gegenkontakt 20 erfolgt.
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Zur Beurteilung der Kontaktgüte kann zur Temperaturmessung ein Temperaturfühler am Hochstromkontaktelement 1 vorgesehen oder in dieses integriert sein, insbesondere zwischen der ersten Metallschicht 2 und der zweiten Metallschicht 3. Dies ist in besonderem Maße für verschleißanfällige Anwendungen wie zum Beispiel Batteriewechselsysteme oder Ladestecker von Vorteil.
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Zusätzlich zu dem Hochstromkontaktelement 1 kann auch der Gegenkontakt als Hochstromkontaktelement 1' ausgebildet sein und entgegengesetzt zum Hochstromkontaktelement 1 wirkend vorgesehen sein, indem die in 2a gezeigte Lage die Ausgangslage darstellt und die in 1a dargestellte Lage die bei höherer Temperatur verformte Lage darstellt und die Kontaktfläche A' an der Innenseite des Hochstromkontaktelements 1' angeordnet ist.
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Somit können auch zwei gegenläufige Hochstromkontaktelemente 1, 1' vorgesehen sein, deren mechanische Verbindung selbsttätig gegenseitig verstärkend ausgebildet ist.
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Das in 3 und 4 gezeigte Hochstromkontaktelement 1 ist mit einem Kontaktanschluss 8 versehen, an welchem ein elektrischer Leiter oder eine Leiterplatte elektrisch kontaktierbar ist, insbesondere durch Schweißverbindung. Das Hochstromkontaktelement 1 besteht bei dieser Ausführungsform aus einem Verformungsabschnitt 9 mit Bimetalleigenschaften und einem den Kontaktanschluss 8 aufweisenden Anschlussabschnitt 10 zum Anschluss eines elektrischen Leiters oder einer Leiterplatte. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass das Hochstromkontaktelement 1 aus einem Stück gefertigt ist, hier einem walzplattierten, zumindest teilweise Bimetalleigenschaften aufweisenden Metallstreifen. die Herstellung dieses Hochstromkontaktelements 1 ist in hoher Fertigungsgeschwindigkeit und bei äußerst geringen Kosten in Massenfertigung möglich.
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Die in 5 gezeigte Ausführungsform eines Hochstromkontaktelements 1'' ist gekennzeichnet durch einen konisch zulaufenden ersten Abschnitt 11 im Verformungsabschnitt 9 und einen zweiten Abschnitt 12, der wie in 3 gebildet ist. Bei steigendem Stromfluss und damit steigender Temperatur des Hochstromkontaktelements 1'' wird die Kontaktfläche A selbsttätig vergrößert, indem sich das Hochstromkontaktelement 1'' im ersten Abschnitt 11 ausdehnt. Gleichzeitig wird die Montage des Hochstromkontaktelements 1'' erleichtert, indem der erste Abschnitt 11 in einer Steckrichtung S des Hochstromkontaktelements 1'' angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Kontaktfläche
- D
- Durchmesser D
- 1, 1', 1''
- Hochstromkontaktelement
- 2
- erste Metallschicht
- 3
- zweite Metallschicht
- 4
- Einschnitte
- 5
- Schlitz
- 6
- Stirnflächen
- 7
- Stirnflächen
- 8
- Kontaktanschluss
- 9
- Verformungsabschnitt
- 10
- Verformungsabschnitt
- 11
- erster, konischer Abschnitt
- 12
- zweiter Abschnitt
- 20
- Gegenkontakt
- 21
- Rand
