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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von elektrischen Steckverbindungen und insbesondere das von Steckern mit Steckelementen für hohe Ströme mit Kontaktlamellen.
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Ein bekanntes Steck- oder Kontaktsystem umfasst ein male-Steckelement und ein female-Steckelement, die zur Kontaktierung ineinandergesteckt werden, wobei das female-Steckelement Kontaktlamellen aufweist.
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Bei Anwendungen mit hohen Ströme (etwa mehr als 100 A oder gar mehr als 800 A) werden herkömmlich die Steckelemente aus Kupfer (oder einem vergleichbaren Material) hergestellt, da hiermit sehr gute elektrische Leitfähigkeit verbunden ist.
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Kupfer ist allerdings ein relativ weiches Material und besitzt nur in geringem Ausmaß Federeigenschaften. Um dies zu adressieren, werden die insbesondere im female-Steckelement vorgesehenen Kontaktlamellen mit einer sogenannten Überfeder versehen.
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Diese Überfeder, die typischerweise im vorderen (d.h. zum Gegenstecker hin liegenden) Bereich angeordnet ist, generiert durch eine radiale Belastung (letztlich auf den im gesteckten Zustand innen angeordneten male-Kontakt) Normalkräfte, welche auf die Lamellen verteilt werden.
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Es wurde gefunden, dass die Steck- und Ziehkräfte (also die Kräfte, die beim Stecken bzw. Zielen der Steckelemente, d.h. dem Verbinden und Lösen der Kontakte) bei den bekannten Lösungen, die für hohe Ströme ausgelegt sind, vergleichsweise hoch sind und insbesondere nach einem mehrbaren Stecken und Ziehen für eine manuelle Bediendung zu hoch werden. Es wurden Fälle beobachtet, bei denen Kräfte im Bereich von 1500 N nötig waren.
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Bisher wurde zur Verminderung der Steck- und Ziehkräfte bei Steckern mit Kontaktlamellen Kontaktfett eingesetzt, was allerdings einerseits mit der Notwendigkeit der Applikation des Kontaktfetts einen zusätzlichen Arbeitsschritt bei Herstellung und/oder Verwendung der Stecker mit sich bringt und andererseits keine dauerhafte Lösung erlaubt, da das Kontaktfett mit der Zeit degeneriert.
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Ein anderer bekannter Ansatz besteht in der Verwendung von Kontaktbändern, was allerdings wiederum mit einem zusätzlichen Herstellungsaufwand verbunden ist.
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Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Ziel ist es, eine Lösung bereitzustellen, bei der ein Steckelement für einen Stecker mit Kontaktlamellen zur Verfügung steht, das einerseits für hohe Ströme geeignet ist und andererseits zu große Steck- und/oder Ziehkräfte vermeidet.
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Es ist daher gewünscht, eine Lösung vorzustellen, die die bekannten Stecker für hohe Ströme mit Kontaktlamellen dahingehend weiterentwickelt, dass unter Beibehaltung einer notwendigen Stromtragfähigkeit eine Reduktion von Steck- und/oder Ziehkräften erreicht wird.
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Die Verringerung der Steck- und/oder Ziehkräfte bzw. die Vermeidung übermäßiger Steck- und/oder Ziehkräfte ist neben Aspekten der Handhabung der Stecker auch für die Anzahl an Steckzyklen von Bedeutung, insbesondere wenn, wie bei herkömmlichen Lösungen, die Steck- und Ziehkräfte mit einer zunehmenden Zahl von Steck- bzw. Ziehvorgängen sogar noch zunehmen.
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Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt ein Steckelement für einen Stecker mit dem Steckelement und einem Gegensteckelement, wobei das Steckelement mehrere Kontaktlamellen mit einem elektrisch leitfähigen Material umfasst, die für eine elektrische Kontaktierung mit dem Gegensteckelement im gesteckten Stecker ausgestaltet sind vorgeschlagen, wie es in Anspruch 1 definiert ist, nämlich in einer Form, bei der das Steckelement ein Federelement aufweist, das die Kontaktlamellen in radialer Richtung spannt, wobei das Steckelement in einem sich in Längsrichtung des Steckelements erstreckenden Steckbereich, in dem Steckelement und Gegensteckelement einander bei gestecktem Stecker überlappen, in Längsrichtung von der Steckseite des Steckelements her nacheinander einen Kontaktbereich und einen Abstandsbereich aufweist, wobei der Kontaktbereich und der Abstandsbereich jeweils Oberflächen umfassen, die im gesteckten Stecker in radialer Richtung dem Gegensteckelement zugewandt sind, wobei die Oberfläche des Abstandsbereichs gegenüber zumindest einem Teil der Oberfläche des Kontaktbereichs in radialer Richtung zurückspringt.
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Es wurde gefunden, dass durch eine geeignete geometrische Ausführung des Steckelements ein positiver Einfluss auf die Steck- und Ziehkräfte genommen werden kann. Vorteilhaft an einer solchen Lösung ist, dass keine zusätzlichen Komponenten oder Additive nötig sind. Es wurde zudem gefunden, dass durch eine geeignete Geometrie der Kontaktlamellen Vorteile eines Kontaktbandes erreicht werden können, nämlich das Vorsehen vieler Kontaktpunkte in einem definierten Bereich, ohne dass ein solches Kontaktband eingesetzt werden müsste.
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Die geometrische Ausführung lässt sich im Herstellprozess realisieren und benötigt keine zusätzlichen Komponenten, so dass eine einfache Konstruktion und ein einfacher Aufbau erreicht werden können.
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Die Reduzierung der Steck- und Ziehkräfte wirkt sich auch positiv auf die Anzahl der Steckzyklen aus. Die mechanische Belastung der Kontaktoberfläche wird verringert.
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Es wurden zum Vergleich mit bekannten Lösungen Muster aufgebaut und Untersuchungen im Hinblick auf die Steck- und Ziehkräfte, Steckzyklen und Stromtragfähigkeit durchgeführt, wobei die Ergebnisse eine enorme Verbesserung der Steck- und Ziehkräfte zeigten, durchschnittlich konnten die Steck- und Ziehkräfte um ca. 55% gesenkt werden. Die möglichen Steckzyklen konnten um ein Mehrfaches gesteigert werden. Die Differenz bei der Stromtragfähigkeit liegt im Toleranzbereich der Messgenauigkeit von 5%.
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Es wird vermutet, dass beim Stecken der bekannten Kontaktlamellen-Stecker Material entlang der reibenden Oberflächen verschoben wird, wobei die kumulative Wirkung dieser Verschiebung nach einigen Steckzyklen zu einer sehr starken Zunahme der nötigen Kräfte führt.
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Die Begrenzung des Kontaktbereichs beschränkt einerseits den Bereich dieser Materialverschiebung, wobei zudem das Vorsehen des Abstandsbereichs gewissermaßen ein Reservoir zur Aufnahme von Abrieb und Materialverschiebung bereitstellt, dass sich nicht negativ auf die Steck- und Ziehkräfte auswirkt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung besitzt das Steckelement im Steckbereich einen im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt.
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Das erfindungsgemäße Steckelement besitzt vorzugweise, wie andere bekannte Steckelemente, im Steckbereich einen im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt (wobei hierbei eventuelle Schlitze zwischen den Lamellen und Rillen oder dergleichen in den Kontaktflächen nicht mitberücksichtigt werden), wobei mit Blick auf spezielle Anwendungen oder Randbedingungen allerdings auch andere Querschnitte möglich sind.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung umfasst das elektrisch leitfähige Material Kupfer, Aluminium, eine Kupferlegierung und/oder eine Aluminiumlegierung oder besteht daraus.
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Die Verwendung von Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium oder Aluminiumlegierungen (einschließlich Legierungen mit Kupfer und Aluminium) erlaubt eine Sicherstellung einer gewünschten Stromtragfähigkeit, ohne dass für das Material übermäßige Kosten entstehen.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind die Kontaktlamellen zumindest auf einem Teil Ihrer Oberflächen, insbesondere auf einem Teil, der im gesteckten Stecker in radialer Richtung dem Gegensteckelement zugewandt ist, mit einer Beschichtung mit einem weiteren elektrisch leifähigen Material versehen, vorzugweise mit Nickel, einer Nickel-Legierung, Silber, einer Silber-Legierung und/oder Gold.
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Die Beschichtung erlaubt eine zusätzliche Verringerung der Steck- und/oder Ziehkräfte, wobei die Oberflächeneigenschaften der eingesetzten Materialien genutzt werden können, ohne dass der gesamte Steckbereich aus diesen Materialien hergestellt werden müsste.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist wenigstens ein Teil der mehreren Kontaktlamellen zumindest im Kontaktbereich jeweils eine oder mehrere Rillen auf, die sich in Längsrichtung erstrecken.
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Es wurde gefunden, dass sich das Vorsehen von Rillen mit Kontaktbereich ebenfalls vorteilhaft auf die Steck- und/oder Ziehkräfte auswirkt.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist das Federelement zumindest zum Teil im Kontaktbereich angeordnet ist.
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Für eine möglichst wirksame Nutzung der Federeigenschaften des Federelements ist dieses vorzugsweise vollständig oder zumindest zum Teil dort angeordnet, wo die die Steckelemente miteinander in Kontakt stehen (sollen).
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist das Steckelement ein female-Steckelement, das zur Aufnahme des Gegensteckelements in Form eines male-Steckelements ausgestaltet ist.
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Die Erfindung sieht zwar bevorzugt vor, dass das erfindungsgemäße Steckelement ein female-Steckelement ist, ist allerdings nicht hierauf beschränkt.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung erstrecken sich die Kontaktlamellen über den Kontaktbereich und den Abstandsbereich und sind voneinander durch Schlitze, insbesondere über Kontaktbereich und Abstandsbereich hinweg durchgehende Schlitze, getrennt.
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Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert, wobei weitere vorteilhafte Merkmale, Ausführungen und Ausgestaltungen für den Fachmann zudem aus den obigen Erläuterung und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische und perspektivische Darstellung zur Illustration eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Steckelements,
- 2 eine Seitenansicht des Steckelements gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1,
- 3 eine schematische Schnittansicht des Steckelements gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1 und 2,
- 4 eine schematische Frontansicht des Steckelements gemäß dem Ausführungsbeispiel aus den 1 bis 3 und
- 5 eine schematische Vergrößerungsansicht eines Details aus der Darstellung des Steckelements in 4.
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In den beiliegenden Zeichnungen sowie den Erläuterungen zu diesen Zeichnungen sind einander entsprechende bzw. in Beziehung stehende Elemente - soweit zweckdienlich - mit jeweils entsprechenden oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu finden sind.
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1 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung zur Illustration eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Steckelements, während eine Seitenansicht des Steckelements gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1 zeigt.
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In der perspektivischen Ansicht von 1 ist zu erkennen, dass das Steckelement 1 in seinem vorderen (in der Darstellung von 1 linken) Bereich mehrere Kontaktlamellen 2 aufweist, die jeweils durch Schlitze 9 voneinander getrennt sind.
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Die Kontaktlamellen 2 weisen zudem jeweils eine Federaufnahme 10 auf, in der eine Überfeder (nicht dargestellt) aufgenommen und in gewissem Maße in Längsrichtung fixiert wird. Da der Fachmann mit derartigen Überfedern vertraut ist, ist es nicht nötig, die Überfeder oder deren Anwendung oder weiteren Details hier eingehender zu beschreiben.
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In der Darstellung von 1 sind zudem auch Rillen 8 im Kontaktbereich der Kontaktlamellen 2 zu erkennen, die weiter unten noch diskutiert werden.
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2 zeigt das Steckelement 1 aus 1 in einer Seitenansicht, wobei auch hier die Kontaktlamellen 2, die diese trennenden Schlitze 9 und die Federaufnahme(n) 10 zu erkennen sind.
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Der vordere (in 2 linke) Bereich des Steckelements 1 wird von dem Steckbereich 3 gebildet. Der Steckbereich 3 ergibt sich damit, dass in gestecktem Zustand (nicht dargestellt) in diesem Bereich beide Steckelemente, female und male, einander überlappen. Auch mit diesem Überlappen oder Ineinanderstecken der Steckelemente ist der Fachmann vertraut, so dass auf eine weitere Diskussion verzichtet werden kann.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht des Steckelements gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1 und 2, wobei 4 eine schematische Frontansicht des Steckelements gemäß dem Ausführungsbeispiel aus den 1 bis 3 zeigt. Hierbei zeigt 5 eine schematische Vergrößerungsansicht eines Details aus der Darstellung des Steckelements in 4.
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Die Darstellung in 3 entspricht in ihrer Anordnung der von 2, wobei 3 allerdings eine Schnittdarstellung zeigt.
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Das Steckelement 1 umfasst, wie bereits oben diskutiert, von Schlitzen 9 getrennte Kontaktlamellen 2, die sich im Steckbereich 3 des Steckelements 1 erstrecken. Die Kontaktlamellen 2 haben in ihrem vorderen Bereich (in der Darstellung von 3 links) jeweils auf ihrer Außenseite eine Aussparung, die die Federaufnahme 30 für die Überfeder bildet.
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Der Steckbereich 3 umfasst einen Kontaktbereich 4, der mit den Rillen 8 versehen ist, und einen Abstandsbereich 6, wobei der Kontaktbereich 4 an den Abstandsbereich 6 anschließt und zwischen dem Kontaktbereich 6 und der vorderen Öffnung des Steckelements 1 angeordnet ist, durch die das Gegensteckelement (nicht dargestellt) eingeführt wird.
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Die innere Oberfläche 5 der Kontaktlamellen 2 im Bereich des Kontaktbereichs 4 liegt weiter im Inneren als die innere Oberfläche 7 der Kontaktlamellen 2 im Bereich des Abstandsbereichs 6. Mit anderen Worten, springt die Oberfläche 7 des Abstandsbereichs 6 gegenüber der Oberfläche 5 des Kontaktbereichs 4 einer Kontaktlamelle 2 in radialer Richtung zurück (hier nach außen), so dass bei einem Einführen des Gegensteckelements, dessen Außendurchmesser im Wesentlichen an den Innendurchmesser der Kontaktbereichs 4 angepasst ist (genauer, der geringfügig größer ist als der Innendurchmesser, der durch die Bereich zwischen den Rillen 8 gegeben ist, um eine sichere Kontaktierung zu erreichen, wobei die Kontaktlamellen durch die Überfeder (nicht dargestellt) an das Gegensteckelement gepresst werden), im Abstandsbereich 6 die Innenoberfläche 7 der Kontaktlamellen 2 von der Außenoberfläche des Gegensteckelements beabstandet ist.
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4 zeigt das Steckelement 1 in Vorderansicht (d.h. von links in 2 oder 3 aus gesehen), wobei auch hier wiederum die von den Schlitzen 3 getrennten Kontaktlamellen 2 zu sehen sind, die im Kontaktbereich 4 mit Rillen 8 versehen sind. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 4.
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Die innere Kontur einer Kontaktlamelle 2 hat jeweils in Umfangsrichtung drei Kontaktierungsabschnitte der Oberfläche 5, die den elektrischen Kontakt zwischen Steckelement 1 und Gegensteckelement herstellen und zwischen denen die Rillen 8 angeordnet sind.
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Wie bereits oben diskutiert, befindet sich im Einsatz die Überfeder über (bzw. um) den Kontaktbereich 4. Die Rillen 8 werden in die Axialrichtung (Steckrichtung) gestoßen, wodurch sich die Kontaktgeometrie abbilden lässt. Mit dem von dem Abstandsbereich 6 gebildeten Hinterschnitt endet der Kontaktbereich 4. Der Durchmesser im Hinterschnitt bzw. Abstandsbereich 6 ist größer als der Außendurchmesser des male-Kontakts, wodurch die reibenden Flächen reduziert werden.
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Im Rahmen des dargestellten Ausführungsbeispiels wurde die Kontaktgeometrie durch einen Hinterschnitt in Kombination mit mehreren Kontaktpunkten, die als Rillengeometrie in Steckrichtung ausgeführt sind, optimiert. Durch die Geometrie der Kontaktlamellen lassen sich die Steck- und Ziehkräfte enorm reduzieren, die Anzahl der Steckzyklen erhöhen und die Stromtragfähigkeit nahezu beibehalten.
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Die Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels dient lediglich der Illustration und die Formen, Dimensionen und Verhältnisse sind nicht als die Erfindung beschränkend aufzufassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steckelement
- 2
- Kontaktlamelle
- 3
- Steckbereich
- 4
- Kontaktbereich
- 5
- Oberfläche des Kontaktbereichs
- 6
- Abstandsbereich
- 7
- Oberfläche des Abstandsbereichs
- 8
- Rille
- 9
- Schlitz
- 10
- Federaufnahme
