DE102022105357A1

DE102022105357A1 - Gebaute Kontakteinheit für Stromleiter

Info

Publication number: DE102022105357A1
Application number: DE102022105357.1A
Authority: DE
Inventors: Renzo Perissinotto; Tobias Geyer
Original assignee: Iwis E Tec GmbH
Current assignee: Iwis E Tec GmbH
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2023-09-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gebaute Kontakteinheit für einen Stromleiter, insbesondere für einen korrosionsanfälligen Stromleiter, bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, mit einer Führungshülse, die in einer Öffnung des Stromleiters anordbar und in der ein Befestigungselement zur Fixierung des Stromleiters an einer Kontaktstelle aufnehmbar ist, und mit einem Kontaktelement für eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Stromleiter und der Kontaktstelle. Dabei ist die Führungshülse als Verbindungshülse ausgebildet, die sich durch das Kontaktelement und eine Kontaktscheibe hindurch erstreckt und das Kontaktelement und die Kontaktscheibe verliersicher an der Führungshülse hält, so dass der Stromleiter zwischen der Kontaktscheibe und dem Kontaktelement anordbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Stromleiterbaugruppe mit einem korrosionsanfälligen Stromleiter und einer solchen Kontakteinheit sowie die Verwendung einer Verbindungshülse, eines Kontaktelements und/oder einer Kontaktscheibe für eine solche Kontakteinheit oder eine solche Stromleiterbaugruppe.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gebaute Kontakteinheit für einen Stromleiter, insbesondere für einen korrosionsanfälligen Stromleiter, bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, mit einer Führungshülse, die in einer Öffnung des Stromleiters anordbar und in der ein Befestigungselement zur Fixierung des Stromleiters an einer Kontaktstelle aufnehmbar ist, und mit einem Kontaktelement für eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Stromleiter und der Kontaktstelle. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Stromleiterbaugruppe mit einem korrosionsanfälligen Stromleiter und einer solchen Kontakteinheit sowie die Verwendung einer Verbindungshülse, eines Kontaktelements und/oder einer Kontaktscheibe für eine solche Kontakteinheit oder eine solche Stromleiterbaugruppe.
Für die elektrische Verbindung einer Energieversorgungseinrichtung, wie beispielsweise einem Hochvoltspeicher oder einer Hochvoltspannungsversorgung mit einem zugehörigen Energiewandler oder Verbraucher, werden sowohl Stromkabel als auch Stromschienen eingesetzt. Die hohen Preise und die begrenzte Verfügbarkeit von Kupfer führen dabei zu einem verstärkten Einsatz von Stromkabeln und Stromschienen aus Aluminium. Insbesondere im Bereich der Automobiltechnik und der Luftfahrttechnik hat der Einsatz von Aluminium als Stromleiter den zusätzlichen Vorteil einer Gewichtseinsparung.
Trotz der offensichtlichen Vorteile des Werkstoffs Aluminium für die Übertragung von elektrischem Strom, haben eine Reihe von Nachteilen einen umfangreicheren Einsatz von Aluminium bisher verhindert. Die Kristallstruktur des Aluminiums neigt zum Fließen, so dass Aluminiumdrähte im Laufe der Zeit aus gekrimpten Verbindungen hinausfließen können und die gekrimpte Verbindung sich lockert. Aluminium weist im Vergleich zu Kupfer ein sehr geringes elektrochemisches Potenzial auf, so dass es an entsprechenden Kontaktstellen mit edleren Materialien zu einer massiven Korrosion des Aluminiums und entsprechenden Fehlstellen kommt. Weiter führt die relativ spröde Kornstruktur des Aluminiums in Verbindung mit den Eigenschaften eines weichen, fließenden Werkstoffs bei der Verformung des Aluminiums zu geeigneten Werkstücken und Produkten zu oberflächlichen Rissbildungen, so dass es zu unkontrollierbaren Alterungserscheinungen und Funktionsausfällen kommen kann.
Im praktischen Einsatz zeigt sich Aluminium zunächst als widerstandsfähig gegen Korrosion, obwohl Aluminium ein sehr reaktionsfähiger und leicht oxidierender Werkstoff ist. Die Langlebigkeit verdankt das Material einer sehr widerstandsfähigen Oxidschicht, die sich unter der Einwirkung von Luftsauerstoff unverzüglich auf der Oberfläche des Aluminiums ausbildet. Bei einer Verbindung von elektrischen Leitern aus Aluminium und Kupfer kommt es unter dem Einfluss einer elektrisch leitenden Flüssigkeit wie Kondenswasser jedoch zu einer starken elektrochemischen Reaktion. Die große elektrochemische Potentialdifferenz von Aluminium und Kupfer führt zusammen mit dem vom Wasser erzeugten äußeren Kurzschluss zu einem Stromfluss über die Verbindungsstelle und damit zu einer Zersetzung des Aluminiums, die durch entsprechende blühende Oxidationsstellen sichtbar wird.
Bei einem Verbinden von zwei Materialien mit einer großen elektrochemischen Potentialdifferenz, insbesondere von Kupfer und Aluminium, ist es daher notwendig an der Verbindungsstelle einen freien ungeschützten Kontakt der beiden Materialien mit Feuchtigkeit zu vermeiden. Entsprechend müssen bereits in normalen Umgebungsbereichen, die für eine Kondenswasserbildung offen sind, die Verbindungsstellen zwischen Kupfer und Aluminium durch besondere Verarbeitungsmethoden oder konstruktive Lösungen geschützt werden. Hierzu werden beispielsweise spezielle Kontaktelemente aus Cupal eingesetzt, einem potentialtrennenden Verbundwerkstoff aus Aluminium und Kupfer, das durch Kaltwalzen der beiden Materialien hergestellt wird. Neben einfachen Kontaktscheiben können auch Kabelschuhe und Kabelverbinder aus Cupal hergestellt werden, bei denen sich im direkten Übergangsbereich zwischen den unterschiedlichen Materialien der Verbindung keine Feuchtigkeit ansammeln und damit auch keine Oxidation stattfinden kann.
Weiter ist bei einer elektrischen Verbindung im Hochvoltbereich für die Übertragung höherer Ströme zu beachten, dass die Anschlüsse an einer Energieversorgungseinrichtung oder einem Verbraucher mit einem Befestigungsmittel verbunden werden müssen, welches auch nach Beendigung des Anschluss- oder Steckvorgangs eine dauerhafte Verbindung zwischen den Anschlüssen herstellt, und mit einer Abdeckung versehen ist, um sicherzustellen, dass die Anschlüsse und stromführenden Teile nicht berührt werden können.
Aus der US 9 048 551 B2 ist beispielsweise eine Hochvoltverbindung bekannt bei der eine als Befestigungsmittel eingesetzte Schraube von einer Isolationshülle umgeben ist und bei der an einem stirnseitigen Ende eine Kunststoffkappe vorgesehen ist, um die spannungsführenden Teile der Steckverbindung vor Berührungen zu schützen. Weiter ist aus der DE 10 2016 200 451 A1 eine Verbindungsvorrichtung zum Anschluss von Hochvoltspeichern bekannt, bei der ein berührungsgeschützter Verbinder mit Schraubelement eine mehrteilige elektrisch isolierte Abdeckung, einen Kontaktkörper und einen elektrisch isolierten Führungskörper zum Ausrichten des Schraubelements aufweist.
Die im Stand der Technik bekannten Steckverbinder zum Anschluss von Stromleitern an Hochvoltspeichern und -verbrauchern weisen üblicherweise einen komplizierten konstruktiven Aufbau auf und erfordern damit auch eine aufwändige Montage. Dies ist insbesondere im Bereich der Automobil- und Luftfahrttechnik mit hohen Anforderungen an eine automatisierte und fehlerfreie Montage von Nachteil.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Kontakteinheit und eine Stromleiterbaugruppe bereitzustellen mit der eine vereinfachte und sichere Montage von Energieanlagen sowie eine sichere elektrische Verbindung von Energieversorgungs- und Energieverbrauchern möglich ist.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird für eine gattungsgemäße Kontakteinheit für einen Stromleiter dadurch gelöst, dass die Führungshülse als Verbindungshülse ausgebildet ist, die sich durch das Kontaktelement und eine Kontaktscheibe hindurch erstreckt und das Kontaktelement und die Kontaktscheibe verliersicher an der Führungshülse hält, und wobei der Stromleiter zwischen der Kontaktscheibe und dem Kontaktelement anordbar ist. Im Gegensatz zu einfachen Anschlusskabeln werden massive Stromleiter zum Übertragen hoher Ströme mittels einer Kontakteinheit und eines Befestigungselements an Energieversorgungseinrichtungen und -verbrauchern angeschlossen, insbesondere wenn es sich bei den Stromleitern um Bauteile mit einem niedrigeren elektrochemischen Potenzial als die Kontaktstellen der Energieversorgungseinrichtungen und Energieverbrauchern handelt, beispielsweise Stromleiter aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einem anderen unedleren Material. Dabei kann das von der Verbindungshülse verliersicher gehaltene Kontaktelement sowohl als Scheibe oder als längliche Hülse ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Kontakteinheit für einen Stromleiter erzeugt eine stromdurchlässige physikalische Barriere zwischen dem Stromleiter und den Befestigungselementen und Kontaktstellen. Dies ermöglicht den Einsatz von chemisch reaktiven Materialien für den Stromleiter und einen dauerhaft stabilen Verbund zwischen der Kontakteinheit, dem Stromleiter und der Kontaktstelle. Dadurch können alternative Materialien für Stromleiter eingesetzt werden, beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen, und bisher genutzte Materialien ersetzen, insbesondere Kupfer. Neben einem insgesamt geringeren Gewicht der alternativen Materialien für Stromleiter verbessert die vorliegende Erfindung die Versorgungssicherheit und reduziert die Kosten für Stromleiter.
Eine günstige Ausführungsform sieht vor, dass die Verbindungshülse mindestens ein Positionierelement aufweist, um das Kontaktelement und/oder die Kontaktscheibe verliersicher an der Verbindungshülse zu halten, und wobei das Kontaktelement und/oder die Kontaktscheibe mindestens eine Aufnahme aufweisen, in der das mindestens eine Positionierelement anordbar ist. Die verliersichere Befestigung des Kontaktelements und/oder der Kontaktscheibe an der Verbindungshülse vereinfacht sowohl das Anbringen der Kontakteinheit an einem Stromleiter als auch die Montage eines Stromleiters an einer Kontaktstelle.
Zweckmäßigerweise kann dabei das mindestens eine Positionierelement als ein von der Verbindungshülse radial vorstehender Vorsprung ausgebildet sein, und die mindestens eine Aufnahme an dem Kontaktelement oder der Kontaktscheibe als eine Nut ausgebildet sein, in die der radial vorstehende Vorsprung anordbar ist. Ein solcher radial vorstehende Vorsprung ermöglicht als einfaches Konstruktionselement eine dauerhaft sichere Anordnung des Kontaktelements und/oder der Kontaktscheibe. Hierbei kann der Vorsprung als umlaufender, gegenüber dem restlichen Umfang der Verbindungshülse vorstehender Flansch oder konischer Ring an einem Ende der Verbindungshülse ausgebildet sein und in radialer Richtung in eine am Innendurchmesser des Kontaktelements oder der Kontaktscheibe vorgesehene Nut eingreifen. Für eine konstruktiv einfache Lösung kann die umlaufende Nut jeweils an beiden äußeren Stirnseiten des Kontaktelements oder der Kontaktscheibe vorgesehen sein, so dass das Kontaktelement und die Kontaktscheibe unabhängig von der Ausrichtung der Stirnseiten an der Verbindungshülse montiert werden können. Dabei ist die Ausbildung der Nut als eine an der Stirnseite angrenzende Stufe vorteilhaft für eine einfache Herstellung des Kontaktelements bzw. der Kontaktscheibe.
Alternativ kann das mindestens eine Positionierelement als ein an der Verbindungshülse vorgesehenes Rastelement ausgebildet sein und die mindestens eine Aufnahme an dem Kontaktelement oder der Kontaktscheibe als eine Rastaufnahme ausgebildet sein, in die das Rastelement eingreifbar ist. Dies ermöglicht eine einfache und verliersichere Anordnung des Kontaktelements oder der Kontaktscheibe an der Verbindungshülse. Weiter kann das Rastelement mehrere am Umfang verteilte federnde Rastnasen, bevorzugt vier Rastnasen, aufweisen, die an einem oder beiden Enden der Verbindungshülse vorgesehen sind und gegenüber dem restlichen Umfang der Verbindungshülse radial vorstehen. Diese Rastelemente lassen sich bei der Montage sehr einfach in eine entsprechend ausgebildete Rastaufnahme, beispielsweise eine radial umlaufende, am Innendurchmesser des Kontaktelements oder der Kontaktscheibe vorgesehene, Stufe oder Nut, einclipsen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Verbindungshülse mindestens zwei Positionierelemente aufweist, um das Kontaktelement und die Kontaktscheibe verliersicher an der Verbindungshülse zu halten, wobei ein erstes Positionierelement als ein an der Verbindungshülse vorgesehenes Rastelement ausgebildet ist, und ein zweites Positionierelement als ein an der Verbindungshülse vorgesehenes Rastelement oder als ein radial vorstehender Vorsprung ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht die einfache und verliersichere Anordnung des Kontaktelements und der Kontaktscheibe an der Verbindungshülse. Zusätzlich können das Kontaktelement und die Kontaktscheibe jeweils über das gleiche Ende der Verbindungshülse aufgeschoben werden. Weiterhin ermöglicht die Ausbildung des zweiten Positionierelements als ein radial vorstehender Vorsprung eine auch bei der Montage der Kontakteinheit am Stromleiter und an der Kontaktstelle eine in der axialen Befestigungsrichtung gesicherte Anordnung des Kontaktelements bzw. der Kontaktscheibe.
Eine besondere Ausbildung sieht vor, dass eine Stirnseite der Verbindungshülse gegenüber einer dem Stromleiter abgewandten Oberfläche des Kontaktelements und/oder der Kontaktscheibe zurückversetzt ist oder mit dieser Oberfläche fluchtet. Diese gegenüber der dem Stromleiter abgewandten Oberfläche zurückversetzte oder fluchtende Anordnung der Verbindungshülse ermöglicht eine widerstandsarme, sichere Kontaktierung des Kontaktelements und der Kontaktscheibe mit dem Befestigungselement und der Kontaktstelle. Entsprechend werden Fehlerquellen und Widerstände beim Stromfluss zwischen dem Stromleiter und der Kontaktstelle minimiert.
Eine zweckmäßige Variante sieht vor, dass die Verbindungshülse als eine elektrisch isolierende Verbindungshülse ausgebildet ist, wobei die Verbindungshülse bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, insbesondere einem Thermoplast, beispielsweise einem Polyamid. Eine solche aus einem Kunststoffmaterial hergestellte Verbindungshülse, bevorzugt in Form einer spritzgegossenen Verbindungshülse, ermöglicht nicht nur die einfache Herstellung einer elektrischen Trennung der Komponenten, sondern auch eine einfache Ausgestaltung einer zweckmäßigen funktionalen Form der Verbindungshülse und der Positionierelemente. Gerade in einer spritzgegossenen Verbindungshülse aus einem Thermoplast, insbesondere aus PA66, lassen sich federnde Rastelemente durch das Vorsehen von axialen Schlitzen am Umfang der Hülse sehr einfach realisieren. Alternativ kann eine geeignete Verbindungshülse aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial hergestellt sein.
In einer sinnvollen Ausführung kann das Kontaktelement und/oder die Kontaktscheibe aus einem potentialtrennenden und elektrisch leitfähigen Material oder Verbundmaterial hergestellt sein, bevorzugt aus einem Bi-Metall-Werkstoff. Mittels derartiger potentialtrennender Materialen oder Verbundmaterialen lassen sich in einfacher Weise stromdurchlässige physikalische Barrieren zwischen den Elementen einer elektrischen Verbindungseinrichtung bereitstellen und eine elektrochemische Korrosion an Stromleitern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verhindern. In einer einfachen Ausgestaltung können die Kontaktelemente und Kontaktscheiben aus einem zweischichtigen Bi-Metall-Werkstoff, beispielsweise aus Cupal, hergestellt sein, das üblicherweise in einem Kaltwalzverfahren aus jeweils zwei unterschiedlichen Metallen, beispielsweise Kupfer und Aluminium, hergestellt wird. Solche potenzialtrennenden Kontaktelemente und/oder Kontaktscheiben bilden in sich eine Trennungsebene zwischen den Materialien mit unterschiedlichem elektrochemischen Potenzial aus, so dass sich weder an der Oberfläche des Kontaktelements und/oder der Kontaktscheibe noch an den Oberflächen eines Stromleiters, eines Befestigungselements oder einer Kontaktstelle eine Potenzialgrenze ausbildet.
Alternativ können die Kontaktelemente und/oder Kontaktscheiben als das Kontaktelement aus einem korrosionsgeschützten und elektrisch leitfähigen Material oder Verbundmaterial mit geringem elektrochemischen Potential hergestellt sein, bevorzugt aus einem verzinnten Bauteil mit einem Kern aus Metall, insbesondere einem Kern aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Dabei kann hierfür neben einer galvanischen Verzinnung der Bauteile auch ein chemisches Verzinnen oder eine Feuerverzinnung eingesetzt werden. Das niedrige elektrochemische Potential und die gute Korrosionsbeständigkeit des Zinns, bzw. einer anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung der Kontaktelemente und/oder Kontaktscheiben, verhindert die elektrochemische Korrosion nicht nur an den Oberflächen der korrosionsanfälligen Stromleiter, sondern auch innerhalb der Bauteile zwischen Oberflächenbeschichtung und Kern. Neben der guten Korrosionsbeständigkeit weist Zinn auch eine hohe plastische Verformbarkeit auf, die es erlaubt bereits mit dünnen Schichten einen sicheren Korrosionsschutz der Kontaktelemente und/oder Kontaktscheiben zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine Stromleiterbaugruppe mit einem korrosionsanfälligen Stromleiter, bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, und einer der oben beschriebenen Kontakteinheiten, wobei der Stromleiter eine Öffnung aufweist, in der die Verbindungshülse der Kontakteinheit angeordnet ist, die Verbindungshülse sich durch die Kontaktscheibe, den Stromleiter und das Kontaktelement erstreckt, der Stromleiter zwischen den von der Verbindungshülse verliersicher gehaltenen Kontaktscheibe und Kontaktelement angeordnet ist und ein Befestigungselement zur Fixierung des Stromleiters an einer Kontaktstelle in der Verbindungshülse aufnehmbar ist. Eine solche Stromleiterbaugruppe mit einem korrosionsanfälligen Stromleiter erlaubt einen sicheren und dauerstabilen Verbund der Stromleiterbaugruppe mit einer Kontaktstelle, einer Energieversorgungseinrichtung oder eines Verbrauchers. Dabei ermöglicht die erfindungsgemäße Stromleiterbaugruppe trotz eines korrosionsanfälligen Stromleiters eine dauerhaft korrosionsfreie Kontaktierung. Dadurch wird der Einsatz alternativer kostengünstiger Materialien für Stromleiter, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, erleichtert. Dies ermöglicht bei der fortschreitenden Ausweitung der Elektromobilität Materialien mit einer erschwerten Verfügbarkeit, hohem Gewicht und hohen Kosten, beispielsweise Kupfer, durch alternative Materialien, beispielsweise Aluminium zu ersetzen. Dadurch lassen sich nicht nur bei Elektroautos, sondern auch in der damit verbundenen Infrastruktur, beispielsweise bei Ladestationen, Gewicht und der Herstellungskosten reduzieren. Weiterhin ermöglicht eine solche erfindungsgemäße Stromleiterbaugruppe das Bereitstellen einer vormontierten Anschlusseinheit für die Kontaktierung einer Energieversorgungseinrichtung oder eines Verbrauchers mittels einer Stromschiene sowie eine Montage des Stromleiters ohne zusätzliche Einzelteile, beispielsweise Bi-Metallscheiben, wodurch der Montageprozess verschlankt und beschleunigt wird.
Eine nützliche Ausbildung sieht vor, dass die Öffnung im Stromleiter als eine Bohrung im Stromleiter ausgebildet ist, wobei der Durchmesser der Bohrung bevorzugt mindestens 10 % größer als der Durchmesser der Verbindungshülse ist, und wobei die Bohrung insbesondere eine Langlochbohrung ist. Eine solche am Umfang geschlossene Bohrung ermöglicht eine verliersichere Anordnung der Kontakteinheit am Stromleiter auch bei einem Spiel der Verbindungshülse in der Öffnung im Stromleiter. Der etwas größere Durchmesser der Bohrung im Vergleich zu dem ungestörten Außendurchmesser der Verbindungshülse ermöglicht eine einfache Kompensation von Toleranzen der mit dem Stromleiter verbundenen Bauteile. Dabei kann eine Ausgestaltung der Bohrung als eine sich in Längsrichtung des Stromleiters erstreckende Langlochbohrung auch größere Toleranzen bei der Positionierung der Komponenten kompensieren.
Als zusätzliches Bauteil der Stromleiterbaugruppe kann ein Befestigungselement zur Fixierung des Stromleiters an einer Kontaktstelle vorgesehen sein, wobei das Befestigungselement sich durch die Verbindungshülse sowie durch die Kontaktscheibe, den Stromleiter und das Kontaktelement hindurch erstreckt, und wobei das Befestigungselement in einem unmontierten Zustand bevorzugt von der Verbindungshülse verliersicher am Stromleiter gehalten ist. Das Vorsehen eines Befestigungselements als Teil der Stromleiterbaugruppe reduziert die bei der Montage notwendigen Einzelteile und erleichtert die Befestigung des Stromleiters an einer Kontaktstelle.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Verbindungshülse, eines Kontaktelements und/oder einer Kontaktscheibe für eine der oben beschriebenen Kontakteinheiten, wobei die Verbindungshülse durch das Kontaktelement und eine Kontaktscheibe hindurch erstreckbar ist, das Kontaktelement und die Kontaktscheibe verliersicher an der Verbindungshülse anordbar sind und ein korrosionsanfälliger Stromleiter zwischen der Kontaktscheibe und dem Kontaktelement anordbar ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung einer Verbindungshülse, eines Kontaktelements und/oder einer Kontaktscheibe für eine der oben beschriebenen Stromleiterbaugruppen, wobei die Verbindungshülse durch ein Kontaktelement, eine Öffnung im Stromleiter und eine Kontaktscheibe hindurch erstreckt ist, und wobei der Stromleiter zwischen einer Kontaktscheibe und einem Kontaktelement anordbar ist.
Zusätzlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer der oben beschriebenen Kontakteinheiten für eine der oben beschriebenen Stromleiterbaugruppen.
Nachfolgend werden nicht einschränkende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von beispielhaften Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Kontakteinheit,
2 eine perspektivische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Stromleiterbaugruppe mit der Kontakteinheit aus 1,
3 eine Schnittansicht durch eine montierte Stromleiterbaugruppe aus 2,
4 eine Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontakteinheit,
5 eine perspektivische Detailansicht einer weiteren Ausführungsform einer Stromleiterbaugruppe mit der Kontakteinheit aus 4 und
6 eine Schnittansicht durch eine montierte Stromleiterbaugruppe aus 5.

1 zeigt eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Kontakteinheit 1 für einen Stromleiter 2, insbesondere für einen Stromleiter 2 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, mit einem Kontaktelement 3, einer Kontaktscheibe 4 und einer Verbindungshülse 5, wobei sich die Verbindungshülse 5 durch das Kontaktelement 3 und die Kontaktscheibe 4 hindurch erstreckt und diese verliersicher hält. Das Kontaktelement 3 und die Kontaktscheibe 4 sind in der in 1 gezeigten Ausführungsform als gleiche scheibenförmige Bauteile ausgebildet. Im montierten Zustand ist der Stromleiter 2 zwischen dem Kontaktelement 3 und der Kontaktscheibe 4 angeordnet. Dabei erstreckt sich die Verbindungshülse 5 dann durch eine Bohrung 6 im Stromleiter 2 hindurch, so dass das Kontaktelement 3 und die Kontaktscheibe 4 auf unterschiedlichen Seiten des Stromleiter 2 positioniert sind.
Ein Positionierelement 7 ermöglicht die sichere Fixierung des Kontaktelements 3 und der Kontaktscheibe 4 an der Verbindungshülse 5. Die an den Enden der Verbindungshülse 5 vorgesehenen Positionierelemente 7 bewirken im montierten Zustand ein Anliegen des Kontaktelements 3 und der Kontaktscheibe 4 am Stromleiter 2, siehe auch die perspektivische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Stromleiterbaugruppe 8 in 2. Wie in der Draufsicht auf die Kontakteinheit 1 in 2 gut zu erkennen ist, besteht das Positionierelement 7 aus vier Rastelementen 9, die durch entsprechende stirnseitige Ausschnitte 10 in der Verbindungshülse 5 federnd ausgebildet sind. Die Rastelemente 9 weisen radial vorstehende Rastnasen 11 auf, die in zugehörige umlaufende Rastaufnahmen 12 am Kontaktelement 3 und der Kontaktscheibe 4 eingreifen. In der hier gezeigten Ausführungsform der Kontakteinheit 1 sind die Rastaufnahmen 12 am Kontaktelement 3 und der Kontaktscheibe 4 jeweils als abgeschrägte Rastaufnahme 12 bzw. als einfache Anfasung an der äußeren Innenkante der Hülsenaufnahme 13 des Kontaktelements 3 und der Kontaktscheibe 4 ausgebildet. Alternativ kann eine Rastaufnahme 12 auch als Stufe am Rand der Hülsenaufnahme 13 oder als eine zurückversetzte Nut in der Hülsenaufnahme 13 ausgebildet sein. Zur Vereinfachung der Montage ist auf beiden Seiten des Kontaktelements 3 und der Kontaktscheibe 4 eine abgeschrägte Rastaufnahme 12 vorgesehen, so dass für das scheibenförmige Kontaktelement 3 und die Kontaktscheibe 4 gleiche Bauteile eingesetzt werden können.
Neben der in 2 gezeigten perspektivischen Ansicht der Stromleiterbaugruppe 8 zeigt die 3 eine Schnittansicht durch eine montierte Stromleiterbaugruppe 8. Die Stromleiterbaugruppe 8 aus Kontaktelement 3, Stromleiter 2 und Kontaktscheibe 4 sowie die sich dort hindurch erstreckende Verbindungshülse 5 wird von einem Befestigungselement 14, das sich durch die Verbindungshülse 5 hindurch erstreckt, an einer Kontaktstelle 15 befestigt. Das Befestigungselement 14 weist neben einem Kopf 16 zum Eingriff eines Montagewerkzeugs einen sich vom Kopf 16 radial nach Außen erstreckenden Kontaktflansch 17, einen Schaft 18, der sich durch die Verbindungshülse 5 hindurch erstreckt, und ein sich daran anschließenden Außengewindeabschnitt 19 auf, mit dem das Befestigungselement 14 in ein entsprechendes Innengewinde an der Kontaktstelle 15 eingreift.
Bei der Montage der Stromleiterbaugruppe 8 wird über den Kontaktflansch 17 des Befestigungselements 14 die Kontaktscheibe 4 auf den Stromleiter 2, der Stromleiter 2 auf das Kontaktelement 3 und das Kontaktelement 3 auf die Kontaktstelle 15 gedrückt und so daran gesichert. Dabei ermöglicht die gegenüber der Verbindungshülse 5 im Durchmesser größere Bohrung 6 im Stromleiter 2 einen Toleranzausgleich bei der Positionierung der Stromleiterbaugruppe 8 gegenüber der Kontaktstelle 15.
Das Befestigungselement 14 stellt über die Kontaktscheibe 4 und den Kontaktflansch 17 sowie den Schaft 18, aber auch über das von dem Stromleiter 2 auf die Kontaktstelle 15 aufgedrückte Kontaktelement 3, eine elektrische Verbindung zwischen dem Stromleiter 2 und der Kontaktstelle 15 her. Da hierbei sowohl das Kontaktelement 3 als auch die Kontaktscheibe 4 als korrosionsgeschützte Bauteile, insbesondere als verzinnte Bauteile mit einem Kern aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, ausgebildet sind und die Verbindungshülse 5 aus einem einen nicht elektrisch leitfähigen oder zumindest potentialtrennenden Material hergestellt sind, ermöglicht die erfindungsgemäße Kontakteinheit 1 eine korrosionsgeschützte elektrische Verbindung für Hochvolt-Anwendungen mit einem Stromleiter 2 aus einem reaktiven, korrosionsanfälligen Material. Alternativ können das Kontaktelement 3 und die Kontaktscheibe 4 aus einem potentialtrennenden Werkstoff bestehen, insbesondere aus Cupal.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontakteinheit 1 für einen Stromleiter 2 gezeigt. Auch hier besteht die Kontakteinheit 1 aus einem Kontaktelement 3`, einer Kontaktscheibe 4 und einer Verbindungshülse 5 die sich durch die Hülsenaufnahmen 13 des Kontaktelements 3` und der Kontaktscheibe 4 hindurch erstreckt. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausführungsform ist hier das Kontaktelement 3' als längliche Hülse ausgebildet, mittels der zwischen dem Stromleiter 2 und der Kontaktstelle 15 ein größerer Abstand realisierbar ist. Weiter ist hier das Positionierelement 7 als ein fester radial vorstehender Vorsprung 20 ausgebildet an dem die abgeschrägte Rastaufnahme 12 der Kontaktscheibe 4 anliegt. Dazu wird bei der Montage der Kontakteinheit 1 die Kontaktscheibe 4 von der gegenüber liegenden Stirnseite der Verbindungshülse 5 aus über die dort federnd ausgebildeten Rastelemente 9 auf die Verbindungshülse 5 aufgeschoben bis die Kontaktscheibe am festen radial vorstehenden Vorsprung 20 anliegt. Diese Anordnung und der feste radial gegenüber dem Umfang der Verbindungshülse 5 vorstehende Vorsprung 20 lassen sich gut in der perspektivischen Teilansicht einer entsprechenden Stromleiterbaugruppe 8 in 5 erkennen. An der gegenüberliegenden Stirnseite der Verbindungshülse 5 ist das Positionierelement 7 wiederum als federndes Rastelement 9 mit radialvorstehenden Rastnasen 11 ausgebildet. Im Gegensatz zu der vorherigen Ausführungsform greifen die Rastnasen 11 hier in eine als Stufe ausgebildete Rastaufnahme 12 an der äußeren Innenkante der Hülsenaufnahme 13 des Kontaktelements 3 ein.
In der Schnittansicht durch die zugehörige montierte Stromleiterbaugruppe 8 in 6 ist deutlich der vergrößerte Abstand zwischen dem Stromleiter 2 und der Kontaktstelle 15 zu erkennen. Wie auch schon in 5 gezeigt umfasst die Stromleiterbaugruppe 8 das hülsenförmige Kontaktelement 3`, den Stromleiter 2 und die Kontaktscheibe 4 sowie die sich dort hindurch erstreckende Verbindungshülse 5. Die Stromleiterbaugruppe 8 wird entsprechend zu der Ausführungsform der 1 bis 3 mittels dem Befestigungselement 14 an der Kontaktstelle 15 befestigt. Auch in dieser Ausführungsform ist wieder deutlich die im Verhältnis zur Verbindungshülse 5 größer dimensionierte Bohrung 6 im Stromleiter2 zu erkennen, die einen Toleranzausgleich bei der Positionierung der Stromleiterbaugruppe 8 gegenüber der Kontaktstelle 15 ermöglicht. Dabei kann diese Bohrung 6 auch als Langloch ausgebildet sein, um größere Toleranzen bei der Positionierung der Kontaktstelle 15 gegenüber einer zugehörigen Energieversorgungseinrichtung bzw. einem Energieverbraucher auszugleichen.
Die in den 1 und 4 gezeigten unterschiedlichen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Kontakteinheit 1 für einen Stromleiter 2 können gemeinsam in Energieversorgungseinrichtungen wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden. Die unterschiedlichen Höhen der Kontaktelemente 3, 3' ermöglichen innerhalb solcher Energieversorgungseinrichtungen auch bei komplexen Verschaltungen und sich kreuzenden Versorgungsleitungen die Verwendung von korrosionsanfälligen Stromleitern 2 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und deren sichere und korrosionsgeschützte Verbindung mit den üblicherweise in einer Ebene angeordneten Kontaktstellen 15.
Bezugszeichenliste

1: Kontakteinheit
2: Stromleiter
3: Kontaktelement
3`: Kontaktelement
4: Kontaktscheibe
5: Verbindungshülse
6: Bohrung
7: Positionierelemente
8: Stromleiterbaugruppe
9: Rastelemente
10: Ausschnitte
11: Rastnase
12: Rastaufnahme
13: Hülsenaufnahme
14: Befestigungselement
15: Kontaktstelle
16: Kopf
17: Kontaktflansch
18: Schaft
19: Außengewindeabschnitt
20: Vorsprung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9048551 B2 [0007]
DE 102016200451 A1 [0007]

Claims

Kontakteinheit (1) für einen Stromleiter (2), insbesondere für einen korrosionsanfälligen Stromleiter (2), bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, mit einer Führungshülse, die in einer Öffnung des Stromleiters (2) anordbar und in der ein Befestigungselement (14) zur Fixierung des Stromleiters (2) an einer Kontaktstelle (15) aufnehmbar ist, und mit einem Kontaktelement (3) für eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Stromleiter (2) und der Kontaktstelle (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse als Verbindungshülse (5) ausgebildet ist, die sich durch das Kontaktelement (3) und eine Kontaktscheibe (4) hindurch erstreckt und das Kontaktelement (3) und die Kontaktscheibe (4) verliersicher an der Verbindungshülse (5) hält, und wobei der Stromleiter (2) zwischen der Kontaktscheibe (4) und dem Kontaktelement (3) anordbar ist.
Kontakteinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungshülse (5) mindestens ein Positionierelement (7) aufweist, um das Kontaktelement (3) und/oder die Kontaktscheibe (4) verliersicher an der Verbindungshülse (5) zu halten, und wobei das Kontaktelement (3) und/oder die Kontaktscheibe (4) mindestens eine Aufnahme aufweisen, in der das mindestens eine Positionierelement (7) anordbar ist.
Kontakteinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Positionierelement (7) als ein von der Verbindungshülse (5) radial vorstehender Vorsprung (20) ausgebildet ist, und die mindestens eine Aufnahme an dem Kontaktelement (3) oder der Kontaktscheibe (4) als eine Nut ausgebildet ist, in die der radial vorstehender Vorsprung (12) anordbar ist.
Kontakteinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Positionierelement (7) als ein an der Verbindungshülse (5) vorgesehenes Rastelement (9) ausgebildet ist, und die mindestens eine Aufnahme an dem Kontaktelement (3) oder der Kontaktscheibe (4) als eine Rastaufnahme (12) ausgebildet ist, in die das Rastelement (9) eingreifbar ist.
Kontakteinheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungshülse (5) mindestens zwei Positionierelemente (7) aufweist, um das Kontaktelement (3) und die Kontaktscheibe (4) verliersicher an der Verbindungshülse (5) zu halten, wobei ein erstes Positionierelement (7) als ein an der Verbindungshülse (5) vorgesehenes Rastelement (9) ausgebildet ist und ein zweites Positionierelement (7) als ein an der Verbindungshülse (5) vorgesehenes Rastelement (9) oder als ein radial vorstehender Vorsprung (20) ausgebildet ist.
Kontakteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite der Verbindungshülse (5) gegenüber einer dem Stromleiter (2) abgewandten Oberfläche des Kontaktelements (3) und/oder der Kontaktscheibe (4) zurückversetzt ist oder mit dieser Oberfläche fluchtet.
Kontakteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungshülse (5) als eine elektrisch isolierende Verbindungshülse (5) ausgebildet ist, wobei die Verbindungshülse (5) bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist.
Kontakteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (3) und/oder die Kontaktscheibe (4) aus einem potentialtrennenden und elektrisch leitfähigen Material oder Verbundmaterial hergestellt ist, bevorzugt aus einem Bi-Metall-Werkstoff.
Kontakteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (3) und/oder die Kontaktscheibe (4) aus einem korrosionsgeschützten und elektrisch leitfähigen Material oder Verbundmaterial mit geringem elektrochemischen Potential hergestellt ist, bevorzugt aus einem verzinnten Bauteil mit einem Kern aus Metall.
Stromleiterbaugruppe (8) mit einem korrosionsanfälligen Stromleiter (2), bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierungen, und mit einer Kontakteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Stromleiter (2) eine Öffnung aufweist, in der die Verbindungshülse (5) der Kontakteinheit (1) angeordnet ist, die Verbindungshülse (5) sich durch die Kontaktscheibe (4), den Stromleiter (2) und das Kontaktelement (3) erstreckt, der Stromleiter (2) zwischen den von der Verbindungshülse (5) verliersicher gehaltenen Kontaktscheibe (4) und Kontaktelement (3) angeordnet ist, und ein Befestigungselement (14) zur Fixierung des Stromleiters (2) an einer Kontaktstelle (15) in der Verbindungshülse (5) aufnehmbar ist.
Stromleiterbaugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung im Stromleiter (2) als eine Bohrung (6) im Stromleiter (2) ausgebildet ist, wobei der Durchmesser der Bohrung (6) bevorzugt mindestens 10% größer als der Durchmesser der Verbindungshülse (5) ist, und wobei die Bohrung (6) insbesondere eine Langlochbohrung ist.
Stromleiterbaugruppe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Befestigungselement (14) zur Fixierung des Stromleiters (2) an einer Kontaktstelle (15) vorgesehen ist, wobei das Befestigungselement (14) sich durch die Verbindungshülse (5) sowie durch die Kontaktscheibe (4), den Stromleiter (2) und das Kontaktelement (3) hindurch erstreckt, und wobei das Befestigungselement (14) in einem unmontierten Zustand bevorzugt von der Verbindungshülse (5) verliersicher am Stromleiter (2) gehalten ist.
Verwendung einer Verbindungshülse (5), eines Kontaktelements (3) und/oder einer Kontaktscheibe (4) für eine Kontakteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Verbindungshülse (5) durch das Kontaktelement (3) und eine Kontaktscheibe (4) hindurch erstreckbar ist, das Kontaktelement (3) und die Kontaktscheibe (4) verliersicher an der Verbindungshülse (5) anordbar sind, und ein korrosionsanfälliger Stromleiter (2) zwischen der Kontaktscheibe (4) und dem Kontaktelement (3) anordbar ist.
Verwendung einer Verbindungshülse (5), eines Kontaktelements (3) und/oder einer Kontaktscheibe (4) für eine Stromleiterbaugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Verbindungshülse (5) durch das Kontaktelement (3), eine Öffnung im Stromleiter (2) und eine Kontaktscheibe (4) hindurch erstreckbar ist, und wobei der Stromleiter (2) zwischen der Kontaktscheibe (4) und dem Kontaktelement (3) anordbar ist.
Verwendung einer Kontakteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für eine Stromleiter baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 12.