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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontaktteil, das zur Ausbildung einer Steckverbindung, insbesondere einer Hochvolt-Steckverbindung, mit mindestens einem Kontaktpin verbindbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Steckverbindung, insbesondere eine Hochvolt-Steckverbindung, mit einem erfindungsgemäßen Kontaktteil.
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Der Begriff „Hochvolt“ wird vorliegend für Wechselspannungen über 30 V bis 1000 V und Gleichspannungen über 60 V bis 1500 V verwendet.
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Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Elektrofahrzeuge und/oder Brennstoffzellenfahrzeuge.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2017 213 093 A1 geht beispielhaft ein Steckverbindersystem für Hochstromanwendungen hervor, das einen elektrischen Steckkontakt sowie einen hierin einsteckbaren Kontaktpin umfasst. Im eingesteckten Zustand steht der Kontaktpin mit einem Lamelleneinsatz des Steckkontakts in mechanischem und elektrischem Kontakt. Der Lamelleneinsatz weist mehrere sich in Längsrichtung erstreckende Lamellen auf, die nach radial innen vorgebogen sind, so dass die Lamellen radial innen den Kontaktpin und radial außen einen buchsenartigen Kontaktkörper des Steckkontakts kontaktieren. In radialer Richtung ist der Lamelleneinsatz federnd ausgebildet, so dass mit Hilfe des Lamelleneinsatzes Durchmessertoleranzen des Kontaktkörpers und/oder des Kontaktpins ausgleichbar sind. Die federnde Ausbildung des Lamelleneinsatzes sichert somit den mechanischen und elektrischen Kontakt einerseits zum Kontaktkörper, andererseits zum Kontaktpin.
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Eine weitere Steckverbindung mit federnd ausgebildeten Lamellen als Toleranzausgleichselement geht aus der
EP 3 761 455 A1 hervor. Hier bilden die Lamellen eine auf den Kontaktpin aufsteckbare Buchse aus.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steckverbindung, insbesondere Hochvolt-Steckverbindung, bereitzustellen, die den Ausgleich großer Fertigungstoleranzen sowie eines Achsversatzes zwischen den Kontaktpartnern ermöglicht und zugleich besonders robust und damit zuverlässig ist.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Kontaktteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Steckverbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Kontaktteil, das zur Aufnahme eines ersten und eines zweiten Kontaktpins an zwei sich gegenüberliegenden Enden jeweils einen buchsenartigen Endabschnitt aufweist, in den mindestens ein federelastisches Kontaktelement aufgenommen und kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit dem Kontaktteil verbunden ist.
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Die in den buchsenartigen Endabschnitten aufgenommenen federelastischen Kontaktelemente dienen jeweils der elektrischen Kontaktierung eines im Endabschnitt aufgenommenen Kontaktpins. Dadurch, dass die Kontaktelemente federelastisch sind, ist das Kontaktteil auf dem jeweiligen Kontaktpin federnd gelagert. Die federnde Lagerung lässt taumelnde Bewegungen des Kontaktteils zum Ausgleich von Toleranzen zu. Insbesondere kann ein etwaiger Achsversatz zwischen den Längsachsen zweier mit dem Kontaktteil verbundener Kontaktpins durch eine Schrägstellung des Kontaktteils ausgeglichen werden.
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Das vorgeschlagene Kontaktteil bildet zwei Kontaktbuchsen aus, die in einem Bauteil vereint sind. Das Kontaktteil ermöglicht somit die Ausbildung einer ersten Steckverbindung mit einem ersten Kontaktpin und eine zweite Steckverbindung mit einem zweiten Kontaktpin. Demzufolge kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Kontaktteils eine elektrische Verbindung zwischen zwei Kontaktpins hergestellt werden. Dabei können durch das Kontaktteil zugleich Montage- und/oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden. Denn das Kontaktteil bleibt über die federnde Lagerung gegenüber den Kontaktpins beweglich. Die Kontaktpins können demnach fest verbaut sein.
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Mindestens ein in einem buchsenartigen Endabschnitt aufgenommenes federelastisches Kontaktelement kann beispielsweise als Lamellenkorb ausgebildet sein. Die Lamellen des Lamellenkorbs bilden Federarme aus, die sich bei der Ausbildung einer Steckverbindung mit einem Kontaktpin unter einer radialen Vorspannung außen an den Kontaktpin anlegen. Auf diese Weise kann eine robuste und damit zuverlässige elektrische Kontaktierung erzielt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann mindestens ein federelastisches Kontaktelement als Ring, beispielsweise als Ringfeder, ausgebildet sein. Die Ringfeder kann beispielsweise eine zu einem Ring gebogene Schraubenfeder sein. Die Windungen der Schraubenfeder liegen dann unter einer radialen Vorspannung einerseits am Kontaktteil und andererseits am Kontaktpin an. Auf diese Weise kann ebenfalls eine robuste elektrische Kontaktierung erzielt, die zudem kostengünstig realisierbar ist.
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Abhängig von der konkreten Ausgestaltung des federelastischen Kontaktelements kann dieses zur Lagesicherung kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit dem Kontaktteil verbunden werden. Der Kraftschluss kann beispielsweise durch Einpressen des Kontaktelements bzw. eines Abschnitts des Kontaktelements in den buchsenartigen Endabschnitt des Kontaktteils bewirkt werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Abschnitt des Kontaktelements in Eingriff mit einem hinterschnitten ausgeführten Bereich des buchsenartigen Endabschnitts gebracht werden, so dass ein Formschluss erzielt wird.
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Bevorzugt weist mindestens ein federelastisches Kontaktelement einen ring-, scheiben- oder zapfenförmigen Abschnitt zur Verbindung mit dem Kontaktteil auf. Das Kontaktelement weist somit einen definierten Verbindungsabschnitt auf. Über den ring-, scheiben- oder zapfenförmigen Abschnitt kann eine kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung mit dem Kontaktteil hergestellt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass mindestens ein federelastisches Kontaktelement über eine Steck-, Press-, Klemm-, Rast-, Präge-, Schraub-, Schweiß-, Löt- und/oder Klebeverbindung mit dem Kontaktteil verbunden ist. Die Steckverbindung kann beispielsweise über einen zapfenförmigen Abschnitt des Kontaktelements hergestellt werden, der in eine entsprechende Ausnehmung des Kontaktteils gesteckt wird. Sofern der Zapfen ein Pressübermaß aufweist, kann hierüber auch eine Pressverbindung realisiert werden. Der Zapfen kann aber auch vorspringende Geometrien aufweisen, die eine Klemm- oder Rastverbindung mit dem Kontaktteil ermöglichen. Eine Prägeverbindung wird in einem Präge- oder Umformprozess hergestellt. Dabei werden das Kontaktelement, beispielsweise ein ringförmiger Abschnitt des Kontaktelements, und das Kontaktteil lokal verformt, so dass ineinandergreifende Geometrien geschaffen werden. Zur Herstellung einer Schraubverbindung sind das Kontaktelement und das Kontaktteil jeweils mit einem gegengleich ausgebildeten Gewinde ausgestattet, so dass sie miteinander verschraubt werden können. Die Verbindung kann ferner über eine Schweiß-, Löt- oder Klebeverbindung hergestellt sein, so dass das Kontaktelement und das Kontaktteil stoffschlüssig verbunden sind.
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Zudem kann mindestens ein federelastisches Kontaktelement über ein separates Verbindungsmittel, beispielsweise eine Schraube oder einen Presspin, mit dem Kontaktteil verbunden sein. Die Schraube bzw. der Presspin kann beispielsweise durch eine zentrale Öffnung in einem scheibenförmigen Abschnitt des Kontaktelements geführt und in eine entsprechende Aufnahme des Kontaktteils eingeschraubt bzw. eingepresst sein. Die Zugänglichkeit ist über den buchsenartigen Endabschnitt gegeben, so dass diese Art der Verbindung einfach und kostengünstig herstellbar ist. Zudem ist sie besonders robust.
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Vorteilhafterweise sind die beiden buchsenartigen Endabschnitte des Kontaktteils koaxial in Bezug auf eine Längsachse A des Kontaktteils angeordnet. Sofern die mit dem Kontaktteil zu verbindenden beiden Kontaktpins ebenfalls exakt koaxial angeordnet sind, so dass kein Achsversatz auszugleichen ist, kann ohne Schrägstellung des Kontaktteils eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontaktpins hergestellt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Kontaktteil zumindest im Bereich der beiden buchsenartigen Endabschnitte rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Durch die rotationssymmetrische Ausbildung ist die Winkellage des Kontaktteils in Bezug auf einen Kontaktpin, mit dem eine Steckverbindung hergestellt werden soll, unerheblich. Das heißt, dass die Steckverbindung in jeder Winkellage des Kontaktteils hergestellt werden kann.
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Die darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Steckverbindung, insbesondere Hochvolt-Steckverbindung, weist ein erfindungsgemäßes Kontaktteil und mindestens einen Kontaktpin auf, der in einen buchsenartigen Endabschnitt des Kontaktteils eingesteckt und über das in den Endabschnitt eingesetzte federelastische Kontaktelement elektrisch kontaktiert ist. Da das Kontaktteil über das federelastische Kontaktelement auf dem Kontaktpin federnd gelagert ist, kann es eine Taumelbewegung ausführen und eine Schrägstellung einnehmen, so dass hierüber Toleranzen ausgleichbar sind. Bei beidseitig eingesteckten Kontaktpins kann hierüber insbesondere ein Achsversatz zwischen den beiden Kontaktpins ausgeglichen werden. Die Rückstellkräfte des federnden Kontaktelements tragen zugleich dazu bei, dass die elektrische Kontaktierung besonders robust und damit zuverlässig ist.
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Das Kontaktteil der vorgeschlagenen Steckverbindung ist vorzugsweise stromführend, so dass über das Kontaktteil und die in den buchsenartigen Endabschnitten des Kontaktteils aufgenommenen Kontaktelemente eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Kontaktpin hergestellt ist, die in den buchsenartigen Endabschnitten eingesteckt sind.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das Kontaktteil zumindest im Bereich der beiden buchsenartigen Endabschnitte von einer elektrisch isolierenden Umspritzung und/oder einem elastisch verformbaren Ausgleichselement umgeben ist. Die elektrisch isolierende Umspritzung verhindert, dass das Kontaktteil in direkten Kontakt zu benachbarten Bauteilen gelangt und verringert damit die Gefahr eines Kurzschlusses. Der gleiche Effekt kann mit Hilfe des elastisch verformbaren Ausgleichselements erzielt werden, sofern dieses aus einem elektrisch nichtleitenden Material, beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere aus einem Elastomermaterial, gefertigt ist. Darüber hinaus kann über das elastisch verformbare Ausgleichselement eine gehäuseseitige federnde Lagerung des Kontaktteils erzielt werden, die weiterhin eine Taumelbewegung des Kontaktteils zur Schaffung eines Toleranzausgleichs zulässt. Wird ein ringförmiges elastisch verformbares Ausgleichselement verwendet, das mindestens eine umlaufende Dichtkontur aufweist, kann der Lagerbereich über das elastisch verformbare Ausgleichselement zugleich abgedichtet werden.
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Bevorzugt weist mindestens ein Kontaktpin der Steckverbindung zumindest abschnittsweise einen kreisrunden oder elliptischen Querschnitt auf. Das Kontaktteil kann dann in jeder beliebigen Winkellage mit dem Kontaktteil verbunden werden. Bei einem elliptischen Querschnitt ist dann ggf. die radiale Vorspannung des federelastischen Kontaktelements gegenüber dem Kontaktpin in Umfangsrichtung unterschiedlich groß.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Kontaktpin in zumindest einem Umfangsbereich eine abgeflachte oder konkav geformte Fläche als Kontaktfläche aufweist. Auf diese Weise kann die Robustheit der elektrischen Kontaktierung weiter gesteigert werden, da zum Einen die Kontaktfläche vergrößert wird, zum Anderen eine gewisse Verdrehsicherung erzielt wird.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Kontaktpin abschnittsweise von einem elektrisch isolierenden Körper umgeben ist. Der Körper ist hierzu aus einem elektrisch nichtleitenden Material, insbesondere aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff, gefertigt. Über den elektrisch nichtleitenden Körper kann der Kontaktpin gehäuseseitig abgestützt werden, ohne dass die Gefahr eines Kurzschlusses besteht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Steckverbindung,
- 2 eine schematische Darstellung des Ausgleichs eines Achsversatzes durch Schräglage eines erfindungsgemäßen Kontaktteils und
- 3 eine perspektivische Darstellung einer Strömungsmaschine, die zur Luftverdichtung in einem Brennstoffzellensystem einsetzbar ist, mit mehreren erfindungsgemäßen Steckverbindungen.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein erste Steckverbindung 10 zwischen einem erfindungsgemäßen Kontaktteil 1 und einem ersten Kontaktpin 2 sowie eine zweite Steckverbindung 10 zwischen dem Kontaktteil 1 und einem zweiten Kontaktpin 3. Das Kontaktteil 1 weist an seinen beiden Enden jeweils einen buchsenartigen Endabschnitt 4, 5 auf, in den ein Kontaktpin 2, 3 eingesteckt ist. Die elektrische Kontaktierung ist dabei jeweils über ein federelastisches Kontaktelement 6, 7 hergestellt, das in dem buchsenartigen Endabschnitt 4, 5 aufgenommen ist. Auf diese Weise wird eine stromführende Verbindung zwischen den beiden Kontaktpins 2, 3 geschaffen.
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Die federelastischen Kontaktelemente 6, 7 sind jeweils als Lamellenkorb ausgebildet, der mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete Lamellen 23 aufweist. Die Lamellen 23 bilden Federarme aus, die unter einer radialen Vorspannung am jeweiligen Kontaktpin 2, 3 anliegen. Das Kontaktteil 1 ist somit über die Kontaktelemente 6, 7 federnd gelagert. Das Kontaktteil 1 bleibt demzufolge gegenüber den Kontaktpins 2, 3 beweglich, beispielsweise, um einen Achsversatz auszugleichen.
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Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, kann das Kontaktteil 1 zum Ausgleich eines Achsversatzes zwischen einer Längsachse AP1 des ersten Kontaktpins 2 und einer Längsachse AP2 des zweiten Kontaktpins 3 eine Schräglage einnehmen. In dieser Lage umschließen die Längsachse A des Kontaktteils 1 sowie die Längsachsen AP1 und AP2 jeweils einen Winkel α. Mit zunehmender Länge L des Kontaktteils 1 wird der Winkel α kleiner.
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Wie der 1 zu entnehmen ist, kann das Kontaktteil 1 zugleich gehäuseseitig abgestützt bzw. gelagert sein. Damit die Beweglichkeit des Kontaktteils 1 erhalten bleibt, erfolgt die Lagerung an beiden Enden jeweils über ein elastisch verformbares Ausgleichselement 12. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein ringförmiges Elastomerteil handeln, so dass zugleich eine Abdichtung zwischen dem Kontaktteil 1 und einem Gehäuseteil 18 geschaffen wird. Das Gehäuseteil 18 nimmt vorliegend auch den Kontaktpin 2 auf, so dass dieses aus einem elektrisch nichtleitenden Material gefertigt sein muss. Der weitere Kontaktpin 3 ist von einem Körper 14 aus einem elektrisch nichtleitenden Material umgeben, so dass ein angrenzendes Gehäuseteil 19 nicht zwingend aus einem elektrisch nichtleitenden Material gefertigt sein muss, da der Kontaktpin 3 über den Körper 14 elektrisch isoliert ist. Das Kontaktteil 1 weist eine Umspritzung 11 mit einem elektrisch nichtleitenden Material, beispielsweise Kunststoff, auf, so dass auch das Kontaktteil 1 elektrisch isoliert ist.
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In der 1 sind die beiden Steckverbindungen 10 unterschiedlich ausgestaltet, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Die beiden Steckverbindungen 10 können auch gleich ausgebildet sein. Insbesondere kann der Kontaktpin 2 analog dem Kontaktpin 3 über eine Schraube 16 mit einem stromführenden Bauteil 15, beispielsweise einer Stromschiene, verbunden sein. Der Kontaktpin 3 ist hierzu mit einem Innengewinde 17 versehen, in das die Schraube 16 eingeschraubt ist. Ferner kann der Kontaktpin 2 analog dem Kontaktpin 3 außenumfangseitig abgeflachte Flächen 13 aufweisen, die der elektrischen Kontaktierung dienen. An den Flächen 13 liegen die Lamellen 23 des Kontaktelements 7 unter einer radialen Vorspannung an.
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In der 1 sind zudem die beiden federelastischen Kontaktelemente 6, 7 unterschiedlich ausgebildet. Diese können ebenfalls gleich ausgebildet sein. Beispielsweise können beide Kontaktelemente analog dem Kontaktelement 6 ausgebildet sein, das als Lamellenkorb mit einem ringförmigen Abschnitt 8 ausgebildet ist, der über eine Prägeverbindung mit dem buchsenartigen Endabschnitt 4 des Kontaktteils 1 verbunden ist. Die Prägeverbindung bewirkt einen Formschluss, der das Kontaktelement 4 sicher in seiner Lage hält. Das andernends vorgesehene Kontaktelement 7 weist demgegenüber einen scheibenförmigen Abschnitt 8 zur Verbindung mit dem Kontaktteil 1 auf. Durch den scheibenförmigen Abschnitt 8 ist ein Verbindungsmittel 9 in Form einer Schraube geführt, die in das Kontaktteil 1 eingeschraubt ist. Auf diese Weise wird ebenfalls ein die Lage des Kontaktelements 7 sichernder Formschluss erreicht.
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3 zeigt eine mögliche Anwendung einer erfindungsgemäßen Steckverbindung 10, und zwar in einer Strömungsmaschine 20 zur Verbindung eines Stators 21 mit einem Kabelabgang 22. Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Steckverbindung 10 kann auch eine elektrische Verbindung des Stators 21 mit einem angebauten Inverter (nicht dargestellt) hergestellt werden. Die Steckverbindung 10 ist in diesen Anwendungen jeweils eine Hochvolt-Steckverbindung 10.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017213093 A1 [0004]
- EP 3761455 A1 [0005]
