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Die Erfindung betrifft eine elektrische Steckverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Energieübertragung als elektrischer Strom erfolgt zwischen Erzeuger und Verbraucher üblicherweise mittels elektrisch leitfähigen Leitungen. Insbesondere bei der Übertragung von hohen Strömen in elektrisch leitfähigen Verbindungen hat der Durchgangs-, Kontakt- und Übergangswiderstand einen entscheidenden Einfluss auf den Wirkungsgrad, Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit von elektrotechnischen Anlagen und Geräten. In diesen Leitungen befinden sich üblicherweise zahlreiche Schnittstellen, meist auch lösbare Verbindungen in Form von Steckkontakten, Steckverbindern und Steckvorrichtungen. Bei diesen lösbaren Verbindungen, spielt insbesondere bei hohen elektrischen Strömen der Kontaktwiderstand eine maßgebliche Rolle. Dieser Kontaktwiderstand setzt sich hauptsächlich aus Durchgangs- und Übergangswiderstand zusammen, wobei der Übergangswiderstand bisher noch der größte Engpass bei der Stromübertragung darstellt. Also ist bei der Herstellung dieser Schnittstellen, wie Steckverbinder, Steckkontakten und Steckvorrichtungen ein möglichst geringer Übergangs- und Kontaktwiderstand wichtig, um an diesen Verbindungen die Übertragungsverluste der Energie zu reduzieren. Diese Kontaktierungsverluste führen immer zu einer unerwünschten Erwärmung an den Verbindungsstellen der Stromübertragung. Darüber hinaus ist beim mehrfachen Verbinden und Lösen der Schnittstellen, bei marktüblichen Verbindungssystemen, die Beschädigung der Kontaktflächen eine wesentliche Ursache für einen schwankenden bzw. undefinierbaren Kontaktwiderstand, was zu einem vorzeitigen Ausfall und / oder Beschädigungen mit entsprechenden Folgen an elektrotechnischen Anlagen führen kann. Zusätzlich haben Federnde Kontaktelemente, welche derzeit die häufigste Verwendungsform darstellen, unter anderem den Nachteil, dass durch die widerstandsbedingte Erwärmung der Kontaktstellen die Federkraft nachlassen kann und sich somit die erforderliche Anpresskraft an den Kontaktflächen reduziert. Also wirken in diesen elektrischen Verbindungen teilweise gegensätzlich wirkende Kräfte, wie z. B. eine hohe Federkraft, welche für eine gute Kontaktierung erforderlich ist, die beim Zusammenstecken allerdings auch die Kontaktoberflächen schädigt und so zu den erwähnten Fehlern, wie zunehmender Kontakt- und Übergangswiderstand führt.
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Eine bekannte Lösung ist auch eine konische Verbindung, welche bei axialer Einfügung mit Spiel behaftet ist, womit allerdings die gleichmäßige Anpressung der beiden konischen Mantelflächen von Stift und Buchse nicht gewährleistet ist.
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In weiteren Ausführungen wird u.a. eine Passung, die beim Einfügen ein Passungsspiel aufweisen muss, beschrieben. Damit wird jedoch das Kontaktierungsproblem einer elektrischen Verbindung mit geringstmöglichem Übergangswiderstand auch nicht gelöst.
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In
DE102013018065A1 ist eine Technik erläutert, die einen Kontaktstift ohne Steckkräfte, durch eine Kombination zweier Federn in eine Kontaktbuchse fügen lässt. Die elektrische Verbindung entsteht erst dann, wenn eine Druckfeder mit ihrer axialen Krafteinwirkung und dem damit verbundenen Zusammendrücken der Druckfeder eine Kontaktfeder oder einzelne Kontaktfederringe aufspreizt. Dadurch vergrößert sich deren Außendurchmesser und eine Berührung der Kontaktfeder zur Innenwand der Kontaktbuchse wird hergestellt. So wird über die Berührungslinien der Kontaktfeder nach außen und einer zweiten Berührungslinie zum Kontaktstift nach innen, eine berührende Verbindung zwischen Kontaktstift und Kontaktbuchse erzeugt. Diese mehrstufige Kontaktierung ist allerdings auch von der Maßgenauigkeit der Kontaktfeder, Druckfeder und insbesondere von gratfreien Federenden abhängig, welche eine umlaufende Linienberührung verhindern würde und die weiter oben beschriebene Beschädigung der Kontaktflächen verursachen kann.
Die scheinbar aufwändige Montage der Druckfeder mit der Kontaktfeder ist angeblich auch für eine Serienfertigung machbar.
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Eine weitere Lösung beschreibt in
DE202017004941 einen Kontaktstift mit Nut und Konus und einen parallelen Gegenkonus in der Kontaktbuchse, wobei über einen Ringdraht in der Nut des Kontaktstiftes an den beiden parallelen Gegenkonen durch axial wirkende Kräfte zwei Kontaktlinien entstehen sollen. Die insgesamt aufwändige Bauweise und Montage des Ringdrahtes, welcher als wichtigstes Funktionsteil unverlierbar angebracht werden muss, erfordert vergleichsweise lange Fertigungszeiten und benötigt Konstruktionsbedingt viel Material für den Kontakt selbst. Dabei wirken im gesteckten Zustand zwei Kontaktlinien mit den entsprechenden Übergangswiderständen.
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Mit der hier vorliegenden Erfindung wird eine Steckverbindung geschaffen, bei der die o.g. Nachteile behoben sind und gleichzeitig ein möglichst geringer Übergangswiderstand und als Folge auch ein kleiner Kontaktwiderstand durch eine einzelne, möglichst lange, geschlossene Kontaktlinie erzielt wird. Ziel ist eine möglichst einfache Verbindung von elektrischen Leitern durch einen elektrischen Steckverbinder mit geringstmöglicher Steckkraft, idealerweise null, und kleinstmöglichem Übergangswiderstand. Die Herstellung und Montage soll möglichst einfach sein und bei ressourcenschonendem Materialeinsatz erfolgen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Aus den Unteransprüchen gehen weitere sinnvolle und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung, hervor.
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Die Erläuterung der Erfindung erfolgt anschließend anhand von Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Kontaktbuchse und einen davon getrennten Kontaktstift und
- 2 einen Längsschnitt durch Kontaktbuchse und Kontaktstift der 1, die sich im eingestecktem Zustand befinden.
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In der 2 sind elektrisch leitende Kontaktlinien 11 aufgezeigt, die bei axialer Anpressung, mindestens an einer Seite der Buchse-Stecker-Verbindung eine elektrisch leitende, geschlossene Ringlinie erzeugen.
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Die Funktion von Buchse und Stift kann gemeinsam als auch unabhängig voneinander funktionieren.
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Kontaktbuchse und Kontaktstift haben keine federnde Funktion und sind somit sehr einfach aus allen elektrisch leitfähigen, vorzugsweise verformbaren Werkstoffen wie Kupfer, Aluminium, Messing u. a. hergestellt werden.
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Eine geschlossene Kontaktlinie entsteht z.B. zwischen der buchsenseitig konisch ausgebildeten Fläche 3 und der stiftseitig bogenförmig ausgebildeten Kante 6 durch axiale Belastung, als innerer, geschlossener Ringlinienkontakt.
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Vorzugsweise wird die geschlossene ringförmige Kontaktlinie durch die Berührung an der stiftseitig konisch ausgebildeten Fläche 4 und der buchsenseitig bogenförmig ausgebildeten Kante 5 durch axiale Belastung erzeugt und wird hier als äußerer Ringlinienkontakt bezeichnet. Die Kontaktierung über den Ringlinienkontakt 4 und 5 verspricht hierbei die bessere Leistungsübertragung, da hier eine etwas längere Kontaktlinie entsteht. Die zweite Ringlinienkontaktierung an 3 und 6 kann z.B. durch präzise Fertigung und entsprechende Toleranz, als Sicherheitskontaktierung genutzt werden, wenn beispielsweise im Falle einer Überlastung oder Verformung der äußeren Buchsenringlinie Störungen in der Kontaktierung auftreten.
Ein axialer Druck erzeugt an der konisch gestalteten Kontaktfläche, je nach Steigung des jeweiligen Konus und je nach Radius der bogenförmig ausgebildeten Kante ein vielfaches an Anpressdruck, so dass hier ein bestmöglicher Übergangswiderstand hergestellt werden kann. Eine elektrische Leitfähigkeit von K (Kappa)=60 kann hier erreicht werden, was für Steckverbinder technisch bisher einmalig ist.
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Auch die axiale Bewegung des Kontaktstifts 1 in der Kontaktbuchse 2 kann durch die Steigung an den konischen Kontaktflächen und dem jeweiligen Radius der bogenförmig ausgebildeten Kante bestimmt und angepasst werden. Über diesen Weg ergibt sich eine einstellbare Druckkraft an den geschlossenen Kontaktlinien, die ausreicht um einen ausgezeichneten Kontaktwiderstand von weniger als 0,1 mOhm zu erreichen.
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Die Erfindung beschreibt wie der Ringlinienkontakt montiert werden kann, um eine hohe Kontaktkraft und dadurch einen niedrigen Kontaktwiderstand zu erreichen.
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Der Kontaktstift 1 wird in eine Kontaktbuchse 2 ohne Steckkraft eingeführt und wird auch ohne Gehäuse, sowohl durch die Stiftaußenwand als auch über die Hülseninnenwand bei geringem Spiel, zentriert und geführt. Die Kontaktkraft entsteht durch das Verriegeln der Steckverbindung über ein entsprechend zu konstruierendes Gehäuse, welches zusätzliche Funktionen, wie z.B. Zentrierung, Führung und Abdichtung übernimmt.
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Die beiden Teile, Kontaktstift 1 und Kontaktbuchse 2 können aus Kupfer, Messing, Bronze, Silber, Gold oder jedem anderen elektrisch leitfähigen Material sein, wodurch die elektrische Leitfähigkeit optimiert wird. Eine zusätzliche Oberflächenbearbeitung, -behandlung oder -beschichtung, welche sich vorteilhaft auf den Übergangs- und / oder den gesamten Kontaktwiderstand auswirkt, kann je derzeit sehr einfach verwendet und /oder aufgebracht werden.
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Kontaktstift 1 als auch die Kontaktbuchse 2 können mit Löt-, Crimp-, Schraubanschluss oder jeder anderen Anschlusstechnik an den passend ausgeformten Anschlussbereichen 9a und 9b mit entsprechenden elektrisch leitfähigen Leitungen, insbesondere Kabel, angeschlossen werden.
Da die Steck- und Ziehkräfte praktisch Null sind, können diese Kontakte auch in mehrpoligen Steckverbindern und Steckvorrichtungen verwendet werden, deren Polzahl lediglich durch konstruktionsbedingte Grenzen oder der erforderlichen Schließkraft des Steckverbindergehäuses eingeschränkt wird.
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Der wichtigste Vorteil gegenüber den gängigsten Kontakten, wie z.B. bei Schlitzbuchsen mit Reibung ist die geschlossene ringförmige Kontaktlinie.
Werden durch ein geeignetes Gehäuse und die zylindrische Führung an den Kontakten diese Kontaktpaare exakt geführt, kann ein Steckweg von weniger als 2,0 mm erreicht werden.
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Beide Teile, Kontaktstift 1 als auch Kontaktbuchse 2, haben eine elektrische Funktion und sind deshalb aus leitfähigen Material hergestellt.
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Der Steckweg ist durch moderne Fertigungsverfahren exakt zu dimensionieren und die axiale Anpresskraft kann durch geeignete Konstruktionen im Gehäuse hergestellt und aufrecht erhalten werden, wodurch der Kontaktwiderstand auch bei vielen Steckzyklen berechenbar wird.
Das Ringlinienkontaktsystem ist mit minimaler innerer Reibung und kleinsten Steckwegen, im Verhältnis zum jeweiligen Kabelquerschnitt und der Kontaktgröße, herstellbar.
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Bei Kontakten mit einem Stiftdurchmesser von >10mm und beispielsweise einem Radius des Bogens >1mm kann die Kontaktanpresskraft, abhängig vom Steigungswinkel des Konus, an der konischen Kontaktfläche um ein vielfaches erhöht werden.
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Der Steckweg der Ringlinienkontakte bestimmt weitestgehend den Verschlussweg und somit auch unmittelbar die Baugröße / -länge des Gehäuses mit beispielsweise Bajonett- oder Schraubverschluss.
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Das Ringlinienkontaktsysteme erhöht die Leistungsfähigkeit, Betriebssicherheit und Effizienz von elektrischen Anlagen. Es mindert Energieverluste bei Stromerzeugung, -speicherung, -verteilung und z.B. Ladestationen für E-Mobilität über schlechte oder schadhafte Steckkontakte. Ganz zu schweigen von der Ressourceneinsparung bei Verwendung des viel kompakteren Ringlinienkontaktsystems.
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Das Ringlinienkontaktsystem ist nahezu beliebig skalierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktstift
- 2
- Kontaktbuchse
- 3
- Konus in der Kontaktbuchse
- 4
- Konus am Kontaktstift
- 5
- bogenförmig ausgebildeten Kante an der Buchse
- 6
- bogenförmig ausgebildeten Kante am Stift
- 7
- Führungsabschnitt in der Hülseninnenwand
- 8
- Führungsabschnitt an der Stiftaußenwand
- 9a
- Anschlussbereich des Kontaktstiftes für elektrische Leiter (Kabel)
- 9b
- Anschlussbereich der Kontaktbuchse für elektrische Leiter (Kabel)
- 9
- Konus in der Kontaktbuchse
- 10
- Toleranz im Führungsbereich
- 11
- äußere und innere ringförmige Kontaktlinien
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013018065 A1 [0005]
- DE 202017004941 [0006]
