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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Verbindungsvorrichtung zur Verbindung von wenigstens zwei stromführenden Teilen.
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Kontaktverbindungen zwischen stromführenden Teilen werden üblicherweise durch Klemmverbindungen oder Schraubverbindungen realisiert. Insbesondere bei hohen Strömen, wie sie z.B. in Schaltanlagen der Automatisierungs- und Hochspannungstechnik, Kraftwerken, Schaltschränken von Werkzeugmaschinen und Anlagen oder der Bahntechnik auftreten, besteht bei einem Lockern oder Lösen der Kontaktverbindung die Gefahr einer Erwärmung.
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Aus der
AT 356 730 B ist eine Federklemme zum Verbinden von elektrischen Leitern bekannt, bei der eine Klemmfeder eine Anpresskraft zwischen einem elektrischen Leiter und einem stromführenden Gehäuseteil bewirkt. Durch Ermüdung der Klemmfeder kann sich aber die Verbindung zwischen den elektrischen Leitern lockern, was auf Grund des dadurch erhöhten Kontaktwiderstandes zu einer Erwärmung der elektrischen Leiter führen kann.
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Die
DE 695 16 034 T2 offenbart einen elektrischen Verbinder, bei dem eine Klemmschraube einen elektrischen Leiter und eine Anschlussklemme zusammenpresst. Nachteilig bei einem solchen Verbinder ist, dass bei Auftreten von Schwingungen sich der elektrische Leiter und die Anschlussklemme voneinander lösen können. Ferner kann bei Aufbringen zu hoher Schraubenanzugsmomente das Material des Leiters fließen, was zu einer fehlerhaften Kontaktstelle führen kann. Ein weiterer Grund für Kontaktfehler kann in der falschen Montage der Bauelemente des Verbinders begründet sein. In vielen Fällen wird daher die Schraubverbindung in festgelegten Zeitabständen durch Nachziehen der Schrauben gewartet, was zeit- und kostenaufwendig ist.
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Aus der
DE 201 21 373 U1 ist eine Verbindungsvorrichtung bekannt, die einen rohrförmigen Käfig aufweist, in dem ein elektrischer Leiter und ein Leiteranschluss angeordnet sind, die über eine U-förmige Klemmfeder vorgespannt sind. Eine in ein Gewindeloch des Käfigs eingeschraubte Schraube greift an einen Schenkel der Klemmfeder an, so dass die Vorspannung zwischen der Klemmfeder und der Kontaktstelle zwischen dem elektrischen Leiter und dem Leiteranschluss einstellbar ist. Ferner können bei einem Einsatz in einem größeren Temperaturbereich Wärmeausdehnungen der Teile der Verbindungsvorrichtung kompensiert werden. Von Nachteil bei dieser Verbindungsvorrichtung sind der komplexe Aufbau und die damit verbundenen hohen Fertigungs- und Montagekosten.
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In verschiedenen Anwendungsbereichen werden zum Aufbringen einer Spannkraft oder zur Beibehaltung eines mechanischen Kontakts zwischen Bauelementen Formgedächtnislegierungen eingesetzt. So ist z.B. aus der
DE 102 34 249 B3 ein Verfahren zur Wiederherstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen einem Anschlussteil und einem mit diesem mechanisch und elektrisch verbundenen Kontaktteil bei einer Kontaktunterbrechung bekannt. Das Kontaktteil besteht aus einem ersten Kontaktelement und einem zweiten Kontaktelement, die in unterschiedlicher Weise mit dem Anschlussteil verbunden sind. Das erste Kontaktelement besteht aus einem üblichen leitfähigen Material, währenddessen das zweite Kontaktelement aus einer Formgedächtnislegierung besteht. Erfolgt eine Trennung des Kontakts des ersten Kontaktelements von dem Anschlussteil erwärmt sich das zweite Kontaktelement auf Grund des höheren Widerstandes, wobei sich durch den Erwärmungsvorgang das zweite Kontaktelement verkürzt und das erste Kontaktelement in Richtung des Anschlussteils bewegt, so dass wieder eine Kontaktgabe zwischen dem ersten Kontaktelement und dem Anschlussteil hergestellt ist. Bei dieser Anordnung besteht jedoch ein Teil des Kontaktteils selbst aus einem Formgedächtnismaterial, so dass der Anwendungsbereich sehr beschränkt ist.
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Das Dokument
JP04-087 163 A offenbart ein Leiterverbindungsteil mit einem U-förmigen Hauptkörper, zwei miteinander in Verbindung bringbaren Leitern, einer Mutter am Ende des Hauptkörpers, einem Druckstück und einem Aktor aus einer Formgedächtnislegierung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Verbindungsvorrichtung zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und universeller Anwendung auch über einen längeren Zeitraum sicher funktioniert.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Wenn sich bei einer erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsvorrichtung eine Kontaktkraft an einer Kontaktstelle durch ein Lockern der mechanischen Verbindung stromführender Teile verringert, steigt ein Übergangswiderstand an der Kontaktstelle, was zu einer Erwärmung der stromführenden Teile und der gesamten Verbindungsvorrichtung führt. Durch die Erwärmung wird mindestens ein Aktor aus einer Formgedächtnislegierung aktiviert, wodurch eine Kraft erzeugt wird, die die stromführenden Teile zusammendrückt, was zur Verringerung des Übergangswiderstandes an der Kontaktstelle und somit zur Abkühlung der aufgewärmten stromführenden Teile führt.
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Da der mindestens eine Aktor durch die bei mechanischem Lockern der Kontaktstelle auftretende Wärme in eine Kraft umwandelt, die der Verminderung der Kontaktkraft entgegenwirkt, wird die erforderliche Kontaktkraft an der Kontaktstelle selbsttätig wiederhergestellt, ohne dass zusätzliche Mittel zur Überwachung oder Verstellung erforderlich sind. Dadurch hat die elektrische Verbindungsvorrichtung einen einfachen Aufbau und bietet eine hohe Sicherheit gegenüber einem Lockern der stromführenden Teile. Einem erhöhten Übergangswiderstand und damit verbundener Entstehung hoher Temperaturen wird entgegengewirkt, und einer Beeinträchtigung, einem Ausfall oder einem Brand der Anlage, die die elektrische Verbindungsvorrichtung aufweist, wird vorgebeugt.
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Auf Grund der oben beschriebenen Eigenschaften ist eine Anlage, die die elektrische Verbindungsvorrichtung aufweist, wartungsfrei, was von besonderem Vorteil ist, wenn die elektrische Verbindungsvorrichtung an einer nicht oder nur schwer zugänglichen Stelle angeordnet ist.
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Eine solche elektrische Verbindungsvorrichtung ist preiswert in der Herstellung und leicht zu montieren. Ferner zeichnet sich eine solche elektrische Verbindungsvorrichtung durch einen breiten Anwendungsbereich aus.
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Gemäß einer Ausführungsform weist eine Anpresseinrichtung oder ein mit dieser in Wirkverbindung stehendes Teil den mindestens einen Aktor auf, wodurch die durch den Aktor erzeugte Kontaktkraft gezielt auf die Kontaktstelle aufgebracht werden kann.
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In einer Ausführungsform, bei der die stromführenden Teile durch einen Käfig und einem mit diesem in Kontakt stehenden Leiter gebildet werden, können herkömmliche Verbindungsvorrichtungen verwendet werden, die nur an bestimmten Bereichen abgewandelt werden müssen.
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Wenn der Aktor als Teil einer als Anpresseinrichtung dienenden Schraube ausgebildet ist, kann eine herkömmliche einen Käfig und einen Leiter aufweisende elektrische Verbindungsvorrichtung verwendet werden, wobei nur die herkömmliche Schraube durch eine mit einem Aktor aus einem sich bei Erwärmung ausdehnenden Formgedächtnismaterial ausgebildete Schraube ersetzt werden muss. Damit sind herkömmliche Verbindungsvorrichtungen auf besonders einfache Weise durch die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung ersetzbar.
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In einer Ausführungsform kann ein Druckstück zwischen der Schraube und dem Leiter angeordnet sein. Dadurch wird die durch die Schraube auf den Leiter aufgebrachte Kraft auf eine größere Fläche verteilt.
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Wenn ein Bereich des Druckstücks oder das Druckstück selbst den Aktor bildet, kann ebenfalls eine herkömmliche Verbindungsvorrichtung verwendet werden, wobei nur das Druckstück auszutauschen ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Käfig in seinem Wandbereich mindestens einen Aktor auf, der aus einer sich bei Erwärmung zusammenziehenden Formgedächtnislegierung besteht. Der Aktor kann bei dieser Ausführungsform vergleichsweise groß ausgebildet werden, so dass eine große Kontaktkraft erzielt werden kann.
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Bei einer Ausbildung eines in Umfangsrichtung geschlossenen Käfigs kann eine hohe Kontaktkraft an der Kontaktstelle aufgebracht werden.
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In einer anderen Ausführungsform weist die elektrische Verbindungsvorrichtung eine Kraftmesseinrichtung zum Messen der Kontaktkraft, eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des mindestens einen Aktors und eine mit der Kraftmesseinrichtung und der Heizeinrichtung verbundene Steuereinrichtung auf. Eine solche Anordnung bietet die Möglichkeit, einem Lockern der stromführenden Teile schon in einem frühen Stadium entgegenzuwirken und eine hohe Sicherheit der elektrischen Verbindungsvorrichtung zu gewährleisten.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine Vorderansicht einer elektrischen Verbindungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine Vorderansicht einer elektrischen Verbindungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
- 3 eine Vorderansicht einer elektrischen Verbindungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Wie in 1 gezeigt ist, umfasst eine elektrische Verbindungsvorrichtung 10 eine Aufnahme in Form eines Kä20 und eine als Anpresseinrichtung dienende Schraube 30, die in eine Gewindebohrung 22 des Kä20 eingeschraubt ist und eine Kontaktkraft auf einen mit dem Kä20 in Kontakt stehendem elektrischen Leiter 40 ausübt. Der Kä20 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material.
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In der gezeigten Ausführungsform liegt auf einer Innenfläche eines Bodenteils 24 des Kä 20 der elektrische Leiter 40 auf, so dass zwischen dem Bodenteil 24 des Kä20 und dem Leiter 40 eine Kontaktstelle 42 gebildet ist. Zwischen der Schraube 30 und dem Leiter 40 ist ein Druckstück 44 angeordnet, das die von der Schraube 30 auf den Leiter 40 ausgeübte Kraft auf eine größere Fläche verteilt. Der Kä20 hat in der gezeigten Ausführungsform einen rechteckigen Querschnitt. Da der Kä20 in Umfangsrichtung geschlossen ist und da die Schraube 30 in einer dem Bodenteil 24 gegenüberliegenden Wand angeordnet ist, kann durch die Schraube 30 eine vergleichsweise hohe Kontaktkraft auf die Kontaktstelle 42 aufgebracht werden.
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Ein dem Druckstück 44 zugewandtes Ende der Schraube 30, das einen Aktor 32 bildet, besteht aus einer Formgedächtnislegierung, die sich bei einer Erwärmung ausdehnt.
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Die Arbeitsweise der elektrischen Verbindungsvorrichtung 10 wird nachstehend beschrieben.
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In einem Zustand, bei dem die Schraube 30 über das Druckstück 44 eine Kontaktkraft an der Kontaktstelle 42 zwischen dem Leiter 40 und dem Bodenteil 24 des Kä20 ausübt, erfolgt eine Stromübertragung mit einem geringen Kontaktwiderstand, so dass keine oder nur eine geringe Erwärmung an der Kontaktstelle 42 erzeugt wird.
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In einem Zustand, bei dem sich an der Kontaktstelle 42 die mechanische Verbindung zwischen dem Leiter 40 und dem Bodenteil 24 des Kä20 gelockert hat, verringert sich die Kontaktkraft, und der Kontaktwiderstand zwischen dem Leiter 40 und dem Bodenteil 24 des Kä20 erhöht sich. Durch den erhöhten Kontaktwiderstand erwärmt sich die Kontaktstelle 42, was zu einer Erwärmung der gesamten elektrischen Verbindungsvorrichtung 10 und somit auch des Aktors 32 führt.
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Auf Grund der Wärmezufuhr wandelt sich die Formgedächtnislegierung des an der Schraube 30 angeordneten Aktors 32 aus der Martensit-Phase in die Austenit-Phase um und dehnt sich aus, was zu einer Erhöhung der Anpresskraft zwischen dem Leiter 40 und dem Bodenteil 24 des Kä20 über das Druckstück 44 führt. Dadurch wird die mechanische Verbindung zwischen dem Leiter 40 und dem Bodenteil 24 des Kä20 wiederhergestellt und der Kontaktwiderstand an der Kontaktstelle 42 verringert, was eine Abkühlung der Kontaktstelle 42 zur Folge hat. Im abgekühlten Zustand kehrt die Formgedächtnislegierung des Aktors 32 aus der Austenit-Phase in die Martensit-Phase zurück, wodurch ein Zusammenziehen des Aktors 32 bewirkt wird.
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Wie aus der oben beschriebenen Arbeitsweise ersichtlich wird, bietet eine elektrische Verbindungsvorrichtung 10 gemäß der beschriebenen Ausführungsform den Vorteil, dass diese bei einer Verschlechterung der Kontakteigenschaften an der Kontaktstelle 42 selbsttätig die erforderliche Kontaktkraft wiederherstellt und somit einen geringen Kontaktwiderstand an der Kontaktstelle 42 gewährleistet.
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Die elektrische Verbindungsvorrichtung 10 ist einfach und preiswert herstellbar, da nur die Schraube 30 abgewandelt werden muss. Durch das selbsttätige Nachstellen der erforderlichen Kontaktkraft ist die elektrische Verbindungsvorrichtung 10 wartungsfrei und kann auch in Anlagen eingesetzt werden, die nicht oder nur schwer zugänglich sind.
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Da der Kä20 und der Leiter 40 unverändert verwendet werden können, ist ein universeller Einsatz der elektrischen Verbindungsvorrichtung 10 möglich und kann in bestehende Anlagen problemlos implementiert werden.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform repräsentieren der Kä20 und der Leiter 40 die stromführenden Teile gemäß der Erfindung.
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Eine andere Ausführungsform ist in 2 gezeigt. In Abänderung von der Ausführungsform von 1 weist eine elektrische Verbindungsvorrichtung 10A einen Kä20A auf, der die von der Schraube 30 auf die Kontaktstelle 42 wirkende Kraft aufnimmt und somit in Wirkverbindung mit dieser steht. Ein Wandbereich des Kä20A weist mindestens einen Aktor 28 aus einer Formgedächtnislegierung auf, der sich bei einer Erwärmung zusammenzieht. In der gezeigten Ausführungsform weisen Seitenwände 26 des Kä20 jeweils einen Aktor 28 auf. Die Schraube 30 ist in dieser Ausführungsform ohne Aktor 32 ausgebildet.
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Die Arbeitsweise der elektrischen Verbindungsvorrichtung 10A ist analog zu der elektrischen Verbindungsvorrichtung 10 von 1, außer dass die Aktoren 28 in den Seitenwänden 26 des Käfigs 20A bei einer Erwärmung ein Zusammenziehen zur Wiederherstellung der Kontaktkraft an der Kontaktstelle 42 bewirken.
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In einer modifizierten Ausführungsform weist die elektrische Verbindungsvorrichtung 10A zusätzlich zu den Aktoren 28 in den Seitenwänden 26 des Kä20A einen Aktor 32 im Bereich der Schraube 30 auf.
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In einer anderen modifizierten Ausführungsform besteht der Kä20A vollständig aus einer Formgedächtnislegierung.
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Eine weitere Ausführungsform zeigt 3, die eine elektrische Verbindungsvorrichtung 10B darstellt, welche zusätzlich zu der in 2 gezeigten Ausführungsform eine Kraftmesseinrichtung 50 aufweist, die zwischen der Schraube 30 und dem Druckstück 44 angeordnet ist. Außerdem sind längs der beiden Aktoren 28 elektrisch betriebene Heizeinrichtungen 60 angeordnet, die über eine nicht gezeigte Steuervorrichtung eingeschaltet und ausgeschaltet werden können.
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Die Arbeitsweise der elektrischen Verbindungsvorrichtung 10B wird nachstehend beschrieben.
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Die von der Schraube 30 auf die Kontaktstelle 42 über das Druckstück 44 und den Leiter 40 aufgebrachte Kraft wird mittels der Kraftmesseinrichtung 50 gemessen. Der Wert der von der Kraftmesseinrichtung 50 gemessenen Kraft wird einer nicht gezeigten Steuervorrichtung zugeführt und dort mit einem ersten vorbestimmten Wert der Kraft verglichen. Unterschreitet der Wert der gemessenen Kraft den ersten vorbestimmten Wert, werden über die Steuervorrichtung die Heizeinrichtungen 60 aktiviert.
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Durch die von den Heizeinrichtungen 60 erzeugten Wärme bewirken die Aktoren 28 ein Zusammenziehen der Seitenwände 26 des Kä20, wodurch die auf die Kontaktstelle 42 wirkende Kraft erhöht wird. Sobald der Wert der von der Kraftmesseinrichtung 50 gemessenen Kraft einen zweiten vorbestimmten Wert, der einen Sollwert einer zwischen dem Leiter 40 und dem Boden 24 des Kä20 wirkenden Kraft an der Kontaktstelle 42 repräsentiert und höher als der erste vorbestimmte Wert ist, erreicht hat, werden die Heizeinrichtungen 60 von der Steuervorrichtung abgeschaltet.
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In einer modifizierten Ausführungsform ist eine Heizeinrichtung 60 benachbart zu dem Aktor 32 bzw. der diesen aufweisenden Schraube 30 angeordnet.
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Die Verbindungsvorrichtung 10B ist insbesondere für Einsatzzwecke gedacht, bei denen ein Lockern einer elektrischen Verbindung zwischen den stromführenden Teilen in einem frühen Stadium erkannt und einem weiteren Lockern vorgebeugt werden soll. Ein Einsatz der Verbindungsvorrichtung 10B ist z.B. in elektrischen Anlagen von Chemieanlagen und Energieversorgungsanlagen denkbar.
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Als Materialien für Formgedächtnislegierungen der Aktoren 28, 32 dienen Legierungen aus Nickel und Titan, aus Kupfer und Zink, aus Kupfer, Zink und Aluminium, aus Kupfer, Aluminium und Nickel oder aus Eisen, Nickel und Aluminium.
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Weitere Abwandlungen von den beschriebenen Ausführungsformen und deren Modifikationen sind möglich.
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In einer Abwandlung der gezeigten Ausführungsform weist der Käfig einen anderen Querschnitt, z.B. einen runden Querschnitt auf.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Aufnahme C-förmig oder U-förmig ausgebildet.
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Obwohl gemäß der dargestellten Ausführungsformen die Aktoren 28; 32 senkrecht zur Kontaktstelle 42 wirken, ist auch eine Anordnung möglich, bei ein Aktor ein Zusammenziehen in Umfangsrichtung einer elektrischen Verbindungsvorrichtung, z.B. einer aus einer Buchse und einem Steckerstift bestehenden Steckverbindung, bewirkt.
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In modifizierten Ausführungsformen bestehen die stromführenden Teile aus zwei oder mehr Leitern 40, einem Leiter 40 und einer Kontaktzunge, die z.B. statt des Druckstücks 44 eingesetzt wird, zwei oder mehr Kontaktzungen, zwei oder mehr Kabelschuhen oder zwei oder mehr Kontaktblechen.
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In einer anderen modifizierten Ausführungsform wird als Anpresseinrichtung eine Feder, insbesondere eine Druckfeder verwendet. In einer Abwandlung dieser Ausführungsform besteht die Anpresseinrichtung aus einer Kombination einer Schraube und einer Feder.
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In einer weiteren modifizierten Ausführungsform ist das Druckstück 44 aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt und bildet einen Aktor. Eine elektrische Verbindungsvorrichtung weist in einer Ausführungsform eine Kombination dieses Aktors mit den Aktoren 28 und/oder mit dem Aktor 32 auf.
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Eine nicht dargestellte Abwandlung der beschriebenen Ausführungsform besteht aus einer Schraube, einer Mutter und zwei oder mehr stromführenden Teilen, die durch Verschrauben der Mutter mit der Schraube zusammengepresst sind. Zwischen der Mutter und einem der stromführenden Teile ist eine als Aktor dienende Beilagscheibe aus einer Formgedächtnislegierung angeordnet.
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Weitere Ausführungsformen werden durch Mischformen zwischen den beschriebenen Ausführungsformen und/oder deren Modifikationen gebildet.
