EP2481129B1

EP2481129B1 - Steckkupplungssystem

Info

Publication number: EP2481129B1
Application number: EP10765936.9A
Authority: EP
Inventors: Gerhard SCHLÖGL
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2030-08-17
Also published as: US20120276766A1; DE102009042568A1; US9130286B2; EP2481129A1; WO2011035756A1; DE102009042568B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Steckkupplungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die US5810048 offenbart ein Steckkupplungssystem enstsprechend dem Anspruch 1.
Im Bereich der Kraftfahrzeuge, Nutzfahrzeuge, Bau- und Landmaschinen erfolgt bislang die Energieübertragung höherer Leistungen über hydraulische und/oder mechanische Konzepte.
Zunehmend gibt es Bestrebungen, beim Fahrantrieb sowie beim Antrieb von Nebenaggregaten Elektromotoren einzusetzen, deren elektrische Energie von einem Generator bereitgestellt wird, der durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird. Hierzu ist es notwendig am Fahrzeug ein elektrisches Netz vorzusehen, an das beliebige elektrische Erzeuger und Verbraucher wie beispielsweise Generator, Fahrantrieb, Nebenabtriebe oder elektrisch angetriebene Arbeitsgeräte angekoppelt werden können.
Um hohe elektrische Leistungen in einem derartigen elektrischen Netz übertragen zu können, ist es vorteilhaft die elektrischen Leiter mittels einer Kühlflüssigkeit zu kühlen, um damit den notwendigen Leiterquerschnitt bei einer festen zu übertragenden Leistung minimieren zu können.
Als Schnittstelle zwischen den einzelnen elektrischen Erzeugern und Verbrauchern sind ferner Steckkupplungen erforderlich, die neben einer elektrischen Verbindung auch eine Fluidverbindung zur Übertragung der jeweiligen Kühlkanäle herstellen.
Über derartige Steckkupplungen werden hohe elektrische Leistungen im Bereich von 50KW bis 300KW bei einer elektrischen Stromstärke von 50A bis 400A übertragen. Beim Unterbrechen eines Gleichstromkreises derartig hoher Leistung können Lichtbögen entstehen, die zu einer Gefährdung des Bedienpersonals führen können.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Steckkupplungssystem anzugeben, das ein zuverlässiges Trennen und Verbinden hoher elektrischer Leistungen eines Gleichstromkreises ermöglicht. Die Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
Unter hohen elektrischen Leistungen werden im Rahmen dieser Erfindung Leistungen im Bereich von 50KW bis 300KW bei einer elektrischen Stromstärke von 50A bis 400A verstanden.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Steckkupplungssystems ist darin zu sehen, dass das Steckkupplungssystem zumindest ein elektromechanisches Schutzsystem bestehend aus zumindest einem elektronischen Schaltmittel und zumindest einem innerhalb der Kupplungsdose und/oder des Kupplungssteckers angeordnetem mechanischen Schaltmittel zur Herstellung oder Trennung der elektrisch leitenden Verbindung aufweist, wobei die elektronischen Schaltmittel und die mechanischen Schaltmittel unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Durch das zweistufige elektromechanische Schutzsystem werden besonders vorteilhaft beim Trennen und Verbinden hoher elektrischer Leistungen eines Gleichstromkreises entstehende Überspannungen, insbesondere Lichtbögen vermieden.
Weiterhin vorteilhaft ist das zumindest eine elektronische Schaltmittel durch ein Relais oder durch einen zumindest ein elektronisches Hochleistungsbauelement, vorzugsweise einen Hochleistungstransistor aufweisenden elektronischen Schaltkreis gebildet. Das mechanische Schaltmittel zur Herstellung oder Trennung der elektrisch leitenden Verbindung durch das Einführen des Kupplungssteckers in die Kupplungsdose oder durch das Herausnehmen des Kupplungssteckers aus der Kupplungsdose ist schaltbar ausgebildet.
Der Kupplungsstecker und die Kupplungsdose weisen ferner einen von einem Fluidkanal umgebenen Innenleiter auf, wobei die Innenleiter des
Kupplungssteckers und der Kupplungsdose zumindest teilweise von einer elektrisch leitfähigen Kontakthülse umgeben sind, die verschiebbar gegenüber dem Innenleiter oder vice versa ausgebildet ist. Die Kontakthülse des Kupplungssteckers ist zur elektrisch leitfähigen Verbindung der Innenleiter des Kupplungssteckers und der Kupplungsdose im gekoppelten Zustand vorgesehen. Hierzu ist der Innenleiter der Kupplungsdose mehrteilig ausgebildet, wobei dieser vorzugsweise zumindest zwei Innenleiterelemente aufweist, die elektrisch isoliert miteinander verbunden sind.
Die zumindest zwei Innenleiterelemente sind besonders vorteilhaft über einen Stift aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise einen Keramikstift miteinander verbunden, wobei eine elektrisch leitende Verbindung der zumindest zwei Innenleiterelemente in der Kupplungsdose im gekoppelten Zustand durch eine verschiebbare Kontakthülse erfolgt, und zwar beispielsweise mittels zumindest einem ringförmigen Federkontakt, der zwischen der Kontakthülse und dem Innenleiter vorgesehen ist.
Zudem ergeben sich Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht. Es zeigen:

Fig. 1: beispielhaft eine erfindungsgemäße Steckkupplung im entkoppelten Zustand in einer seitlichen Schnittdarstellung;
Fig. 2: beispielhaft eine erfindungsgemäße Steckkupplung im gekoppelten Zustand in einer seitlichen Schnittdarstellung;
Fig. 3: beispielhaft eine erfindungsgemäße Kupplungsdose im entkoppelten Zustand in einer seitlichen Schnittdarstellung;
Fig. 4: beispielhaft ein erfindungsgemäßer Kupplungsstecker im entkoppelten Zustand in einer seitlichen Schnittdarstellung;
Fig. 5: beispielhaft und schematisch der elektrische Stromfluss durch eine erfindungsgemäße Steckkupplung;
Fig. 6: beispielhaft und schematisch der Fluidfluss durch eine erfindungsgemäße Steckkupplung;
Fig. 7: beispielhaft die elektrische Kontaktierung der Innenleiter über die Kontakthülse mittels der Federkontakte;
Fig. 8: beispielhaft die Anordnung zweier Kupplungsstecker an einer Kupplungssteckerplatte in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 9: beispielhaft die Anordnung zweier Kupplungsdosen an einer Kupplungsdosenplatte in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 10: beispielhaft eine schematische Ansicht eines Nutzfahrzeugs mit einem über ein erfindungsgemäßes Steckkupplungssystem angekoppelten Anbaugerät;
Fig. 11: beispielhaft ein erfindungsgemäßes Steckkupplungssystem im entkoppelten Zustand in einer Seitenansicht;
Fig. 12: beispielhaft ein erfindungsgemäßes Steckkupplungssystem im gekoppelten Zustand in einer Seitenansicht;
Fig. 13 a, b: beispielhaft je ein Ablaufdiagramm zum Lösen und Verbinden eines erfindungsgemäßen Steckkupplungssystems.

In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Steckkupplung 1 in entkoppelten Zustand und in Figur 2 in gekoppelten Zustand jeweils in seitlichen Schnittdarstellungen gezeigt.
Die Steckkupplung 1, die zur Übertragung von elektrischer Energie hoher Leistung sowie der gleichzeitigen Übertragung eines unter Druck stehenden Fluids, insbesondere eines Kühlfluids ausgebildet ist, besteht aus zumindest einem Kupplungsstecker 2 und zumindest einer Kupplungsdose 3 mit jeweils einem elektrisch leitfähigen Innenleiter 4, 5. Der Kupplungsstecker 2 ist zumindest teilweise in die Kupplungsdose 3 zur Herstellung eines gekoppelten Zustands einführbar und aus der Kupplungsdose 3 zur Herstellung eines entkoppelten Zustands wieder herausnehmbar.
Die im Ausführungsbeispiel gezeigte Steckkupplung 1, die vorzugsweise zum Betrieb in einem Mittelspannungs-Gleichstromnetz beispielsweise mit einer Leistung von bis zu 300KV und einer Stromstärke von 400A vorgesehen ist, weist zumindest ein elektromechanisches Schutzsystem bestehend aus zumindest einem elektronischen Schaltmittel 35 und zumindest einem mechanischen, innerhalb der Kupplungsdose 3 und/oder des Kupplungssteckers 2 angeordnetem Schaltmittel 4, 11 zur Herstellung oder Trennung der elektrisch leitenden Verbindung auf. Die elektronischen Schaltmittel 35 und die mechanischen Schaltmittel 4, 11 sind vorzugsweise unabhängig voneinander ansteuerbar bzw. betätigbar. Dadurch wird ein Schutzkonzept erreicht, das höchste Anforderungen hinsichtlich der Bedienersicherheit bietet.
Die elektrisch leitfähigen Innenleiter 4, 5 der Kupplungsdose 3 und des Kupplungssteckers 2 sind umfangsseitig von einem Fluidkanal 6 umgeben, der zum Durchfluss eines unter Druck stehenden Fluids durch die Steckkupplung 1 ausgebildet ist. Des Weiteren sind sowohl im Kupplungsstecker 2 als auch in der Kupplungsdose 3 jeweils ein Ventilkörper 7, 8 angeordnet, die zum Verschließen des Fluidkanals 6 im entkoppelten Zustand der Steckkupplung 1 ausgebildet sind.
Die Ventilkörper 7, 8 sind hierbei verschiebbar innerhalb der Kupplungsdose 3 bzw. des Kupplungssteckers 2 angeordnet und werden im entkoppelten Zustand mittels Federn 14, 15, insbesondere Spiralfedern, derart positioniert, dass der Kupplungsstecker 2 durch den Ventilkörper 7 und die Kupplungsdose 3 durch den Ventilkörper 8 am Kupplungssteckerende 2.1 bzw. am Kupplungsdosenende 3.1 flüssigkeitsdicht verschlossen werden.
Beim Einführen des Kupplungssteckers 2 in die Kupplungsdose 3 wird der Ventilkörper 7 innerhalb des Kupplungssteckers 2 und der Ventilkörper 8 innerhalb der Kupplungsdose 3 derart verschoben, dass die Steckkupplung 1 im gekoppelten Zustand einen durchgehenden Fluidkanal 6 aufweist. Durch die Verschiebung der Ventilkörper 7, 8 wird neben der Herstellung eines durchgängigen Fluidkanals 6 durch die Steckkopplung 1 auch eine elektrische Verbindung zwischen den Innenleitern 4, 5 des Kupplungssteckers 2 und der Kupplungsdose 3 hergestellt und zwar bedingt durch das Einführen bzw. das Herauslösen des Kupplungssteckers 2 in die bzw. aus der Kupplungsdose 3. Der Innenleiter 5 der Kupplungsdose 3 ist hierbei mehrteilig ausgebildet und weist vorzugsweise ein erstes bis drittes Innenleiterelement 5.1 bis 5.3 auf.
Im Folgenden wird zunächst beispielhaft der Aufbau der Kupplungsdose 3 und des Kupplungssteckers 2 anhand der Figuren 3 und 4 beschrieben.
Die Kupplungsdose 3 besteht aus einem im Wesentlichen rundrohrförmigen, elektrisch leitfähigen, vorzugsweise metallischen Kupplungsdosengehäuse 3.2, das am ersten Kupplungsdosenende 3.1 eine kreisrunde Öffnung mit dem Durchmessers d aufweist, welche durch den im Frontquerschnitt kreisringförmig ausgebildeten, eine kreisrunde Öffnung des Durchmessers b aufweisenden Ventilkörper 8 und das in diesem Ventilkörper 8 aufgenommene, erste Innenleiterelement 5.1 mit dessen verdicktem Ende 5.1.1 flüssigkeitsdicht verschlossen wird.
Sowohl das erste Innenleiterelement 5.1 als auch die daran anschließenden zweiten und dritten Innenleiterelemente 5.2, 5.3 und der Ventilkörper 8 liegen hierbei konzentrisch zur Längsachse LA1 der Kupplungsdose 3. Der auf dem Innenleiter 5 zumindest teilweise geführte, diesen umfangsseitig umschließende Ventilkörper 8 ist zwischen dem Innenleiter 5 und dem Kupplungsdosengehäuse 3.2 verschiebbar angeordnet, und zwar entlang der Längsachse LA1. Zum flüssigkeitsdichten Verschließen weist das Kupplungsdosengehäuse 3.2 an seiner Innenseite 3.2.1 im Bereich des ersten Kupplungsdosenendes 3.1 eine Nut 3.2.2 zur Aufnahme einer Dichtung 16 auf, wobei sowohl die Nut 3.2.2 als auch die Dichtung 16 vorzugsweise ringförmig um den Ventilkörper 8 umlaufend ausgebildet sind.
Der Ventilkörper 8 weist an seiner der Innenseite 3.2.1 des Kupplungsdosengehäuses 3.2 zugewandten Seite beispielsweise eine erste und zweite Stufung 8.1, 8.2 auf, so dass drei Teilbereiche an der äußeren Umfangsseite des Ventilkörpers 8 entstehen, die vorzugsweise konzentrisch zur Längsachse LA1 der Kupplungsdose 3 und mit unterschiedlichem radialem Abstand zu dieser Längsachse LA1 verlaufen. Die erste Stufung 8.1 ist hierbei an die Stufung 3.2.3 der Innenseite 3.2.1 des Kupplungsdosengehäuses 3.2 angepasst. Der Außendurchmesser d des Ventilkörpers 8 im Teilbereich 8.3 des Ventilkörpers 8 ist an den Durchmesser d der an Öffnung des Kupplungsdosengehäuses 3.2 am ersten Kupplungsdosenende 3.1 angepasst. Dadurch dichtet die Dichtung 16 gegenüber dem Teilbereich 8.3 des Ventilkörpers 8 umfangseitig ab und verschließt an dieser Grenzfläche die Kupplungsdose 3 flüssigkeitsdicht.
Die dem Innenleiter 5 zugewandte Innenumfangsseite des Ventilkörpers 8 ist ebenfalls gestuft ausgebildet mit einem dem ersten Kupplungsdosenende 3.1 naheliegenden ersten Innenseitenbereich 8.5 und einen durch eine Stufung 8.7 bzw. Abschrägung getrennten zweiten Innenseitenbereich 8.6. Der erste Innenseitenbereich 8.5 und der zweite Innenseitenbereich 8.6 verlaufen hierbei konzentrisch zur Längsachse LA1, wobei der erste Innenseitenbereich 8.5 einen geringeren Abstand zur Längsachse LA1 als der zweite Innenseitenbereich 8.6 aufweist. Der erste Innenseitenbereich 8.5 hat hierbei einen Abstand von näherungsweise b/2 zur Längsachse LA1, so dass der Kopfbereich 5.1.1 des ersten Innenleiterelements 5.1, der einen Durchmesser b hat, passgenau im Inneren des Ventilkörpers 8 im entkoppelten Zustand aufgenommen ist.
Das erste Innenleiterelement 5.1 der Kupplungsdose 3 verjüngt sich im dem ersten Kupplungsdosenende 3.1 abgewandten Ende des Kopfbereichs 5.1.1 und geht in einen Innenleiterbereich 5.1.2 zylindrischer Form und einem Außendurchmesser c über. Der Innenleiterbereich 5.1.2 ist hierbei über eine Teillänge von einer elektrisch leitenden, rundrohrförmig ausgebildeten Kontakthülse 11 umgeben, die über einen elektrisch nicht leitenden Isolierkörper 17, beispielsweise aus Kunststoff, mit dem Ventilkörper 8 im zweiten Innenseitenbereich 8.6 fest verbunden ist. Der Isolierkörper 17 weist hierbei vorzugsweise mehrere parallel zur Längsachse LA1 verlaufende Strömungskanäle auf, durch die im gekoppelten Zustand der Steckkupplung 1 ein Fluidfluss ermöglicht wird.
Zur elektrischen Isolierung der ersten bis dritten Innenleiterelemente 5.1, 5.2, 5.3 voneinander sind diese durch Isolierkörper 18, 19 sowie das erste Innenleiterelement 5.1 vom zweiten Innenleiterelement 5.2 durch einen Keramikstift 10, der vorzugsweise aus Zirkonoxid hergestellt ist, voneinander getrennt. Zu beiden Seiten des Isolierkörpers 18 sind jeweils zumindest eine, vorzugsweise zu jeder Seite mehrere Federkontakte 13 angeordnet, und zwar in Nuten, so dass die um die ersten bzw. zweiten Innenleiterelemente 5.1, 5.2 umfangseitig umlaufenden Federkontakte 13 teilweise in die ersten bzw. zweiten Innenleiterelemente 5.1, 5.2 eingelassen sind. Die auf dem ersten Innenleiterelement 5.1 verschiebbar geführte Kontakthülse 11 bildet zusammen mit den ersten und zweiten Innenleiterelementen 5.1, 5.2 und den vorzugsweise paarweise an den aneinander angrenzenden Enden des ersten und zweiten Innenleiterelements 5.1, 5.2 angeordneten Federkontakten 13 das mechanische Schaltmittel zur Herstellung oder Trennung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Innenleiterelement 5.1, 5.2 der Kupplungsdose 3 aus. Mittels des beschriebenen mechanischen Aufbaus ist im entkoppelten Zustand der Steckkupplung 1 eine elektrisch isolierte Trennung des ersten und zweiten Innenleiterelementes 5.1, 5.2 auch bei Übertragung von elektrischer Energie hoher Leistung gewährleistet und im gekoppelten Zustand durch Verschiebung der Kontakthülse 11 über den Isolierkörper 18 und die daran angrenzenden Federkontakte 13 ein elektrischer Kurzschluss des Isolierkörpers 18 bzw. des Keramikstifts 10 erreicht, so dass die ersten und zweiten Innenleiterelemente 5.1, 5.2 elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Zur lagerichtigen Fixierung des zweiten Innenleiterelements 5.2 und des damit verbundenen ersten Innenleiterelements 5.1 ist innerhalb des Kupplungsdosengehäuses 3.2 eine Isolierscheibe 21 vorgesehen, die vorzugsweise aus elektrisch isolierendem, glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt ist. Die Isolierscheibe 21 weist hierbei vorzugsweise mehrere entlang der Längsachse LA1 weisende Strömungskanäle zur Herstellung eines durch die Kupplungsdose 3 durchgängigen Fluidkanals 6 im gekoppelten Zustand der Steckkupplung 1 auf. Die Isolierscheibe 21 sorgt hierbei sowohl für eine konzentrische Ausrichtung der Innenleiterelemente 5.1, 5.2 innerhalb des Kupplungsdosengehäuses 3.2 als auch für eine Verschiebesicherung derselben.
Aufgrund der hohen elektrischen Isolationsfähigkeit der Isolierscheibe 21 ist der Innenleiter 5, insbesondere das zweite Innenleiterelement 5.2 galvanisch gegenüber dem elektrisch leitfähigen, vorzugsweise aus Stahl gebildeten Kupplungsdosengehäuse 3.2 getrennt. Zwischen der Isolierscheibe 21 und dem Ventilkörper 8 ist eine vorgespannte, vorzugsweise konzentrisch um die und beabstandet zur Längsachse LA1 gewendelte Feder 15, insbesondere eine Druckfeder, angeordnet. Diese stützt sich in ihrem Fußbereich an der Seitenfläche der Isolierscheibe 21 und im Kopfbereich an der zweiten Stufung 8.2 des Ventilkörpers 8 ab, so dass dieser Ventilkörper 8 im entkoppelten Zustand, d.h. bei aus der Kupplungsdose 3 herausgezogenen Kupplungsstecker 2 in Richtung dem ersten Kupplungsdosenende 3.1 gedrückt wird, und dabei bedingt durch die erste Stufung 8.1 des Ventilkörpers 8, die mit der Stufung 3.2.3 der Innenseite 3.2.1 des Kupplungsdosengehäuses 3.2 zusammenwirkt, am ersten Kupplungsdosenende 3.1 bündig abschließt. Beim Einführen des Kupplungssteckers 2 in die Kupplungsdose 3 wird der Ventilkörper 8 entgegen der Federkraft der Feder 15 entlang der Längsachse LA1 der Kupplungsdose 3 in deren Inneres verschoben, wobei der Ventilkörper 8 aufgrund der Kontakthülse 11 auf dem Innenleiterbereich 5.1.2 des ersten Innenleiterelements 5.1 geführt wird.
Bei der im Ausführungsbeispiel gezeigten Kupplungsdose 3 ist in einem Mittelbereich, der von den Isolierscheiben 21, 22 seitlich begrenzt wird, in etwa mittig zwischen diesen Isolierscheiben 21, 22 und konzentrisch zur Längsachse LA1 ein Isolierkörper 19 angeordnet, der das zweite und dritte Innenleiterelement 5.2, 5.3 zueinander beabstandet und elektrisch voneinander isoliert. In das zweite und dritte Innenleiterelement 5.2, 5.3 sind vorzugsweise im rechten Winkel zur Längsachse LA1 Bohrungen eingebracht, in welche Bolzen 23 mit ihren freien Enden eingreifen. Diese Bolzen 23 sind vorzugsweise als elektrisch leitfähige Relaisbrücken ausgebildet und näherungsweise rechtwinklig aus dem Kupplungsdosengehäuse 3.2 geführt, wobei die Durchdringungsstellen der Bolzen 23 durch das Kupplungsdosengehäuse 3.2 elektrisch isoliert gegenüber dem Kupplungsdosengehäuse 3.2 und flüssigkeitsdicht ausgeführt sind.
Mittels dieser elektrisch leitfähige Relaisbrücken bildenden Bolzen 23 wird dabei der Innenleiter 5 aus dem Kupplungsdosengehäuse 3.2 geführt, so dass ein Stromfluss durch die Kupplungsdose 3 nur dann gewährleistet ist, wenn die beispielsweise als Relaisbrücken dienenden Bolzen 23 über ein außerhalb des Kupplungsdosengehäuse 3.2 angeordnetes elektronisches Schaltmittel, vorzugsweise ein Relais 35 überbrückt werden. Dieses Relais 35 bildet somit das elektronische ansteuerbare Schaltmittel zur Herstellung oder Trennung der elektrisch leitenden Verbindung durch die Kupplungsdose 3 aus. Damit wird der elektrische Teil des elektromechanischen Schutzsystems gebildet, der neben vorhandenen mechanischen Schutzreinrichtungen eine elektrische Strom- und Spannungslosschaltung des Innenleiters 5 der Kupplungsdose 3 ermöglicht.
Vorzugsweise wird vor dem Trennen Steckkupplung 1, d.h. vor dem Überführen vom gekoppelten Zustand in den entkoppelten Zustand zuerst das Relais 35 geschalten und damit die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem zweiten und dritten Innenleiterelement 5.2, 5.3 getrennt. Anschließend wird durch das Herausziehen des Kupplungssteckers 2 aus der Kupplungsdose 3 die mechanischen Schaltmittel betätigt, d.h. die Kontakthülse 11 auf das erste Innenleiterelement 5.1 verschoben und damit das erste Innenleiterelement 5.1 vom zweiten Innenleiterelement 5.2 getrennt. Dadurch ist auch für den Fall, dass z.B. das Relais 35 ausfällt oder eine Nottrennung des Kupplungssteckers 2 von der Kupplungsdose 3 erforderlich ist, durch die Verschiebung der Kontakthülse 11 sichergestellt, dass der Innenleiter 5 im Bereich des ersten Kupplungsdosenendes 3.1 im entkoppelten Zustand strom- und/oder spannungsfrei geschaltet ist.
Abweichend von der Verwendung eines Relais 35 kann das zumindest eine elektronische steuerbare Schaltmittel durch einen zumindest ein Hochleistungsbauelement, vorzugsweise einen Hochleistungstransistor, und zwar einen IGBT ("insulated-gate bipolar transistor") aufweisenden elektrischen und/oder elektronischen Schaltkreis gebildet sein.
In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßer Kupplungsstecker 2 der Steckkupplung 1 in einer seitlichen Schnittdarstellung entlang seiner Längsachse LA2 gezeigt. Der Kupplungsstecker 2 weist ein elektrisch leitfähiges, vorzugsweise metallisches Kupplungssteckergehäuse 2.2 auf, das als Hohlkörper mit seinen inneren und äußeren Umfangsseiten im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Längsachse LA2 ausgebildet ist. Das erste Kupplungssteckerende 2.1 des Kupplungssteckergehäuses 2.2 ist zum Einführen in die Kupplungsdose 3 zur Herstellung des gekoppelten Zustands der Steckkupplung 1 ausgebildet. Hierzu weist das erste Kupplungssteckerende 2.1 des Kupplungssteckergehäuses 2.2 stirnseitig eine ringförmig ausgebildete Stirnfläche 2.4 mit einer Ringstärke a auf. Die Kreisringgeometrie der Stirnfläche 2.4 ist hierbei näherungsweise dimensionsgleich mit der Stirnfläche 8.8 des Ventilkörpers 8, wobei beim Einführen des Kupplungssteckers 2 in die Kupplungsdose 3 die Stirnflächen 2.4, 8.8 des Kupplungssteckergehäuses 2.2 bzw. des Ventilkörpers 8 gegeneinander anliegen.
Das erste Kupplungssteckerende 2.1 weist eine im Wesentlichen zylindrische Außenform mit einem Durchmesser d auf, der dimensionsgleich mit der Öffnung des Kupplungsdosengehäuses 3.2 am ersten Kupplungsdosenende 3.1 ist. Das Kupplungssteckergehäuse 2.2 weist nach einer Einstecktiefe t (vom ersten Kupplungssteckerende 2.1 gemessen) eine Stufung 2.5 auf, die als Einführbegrenzung des Kupplungssteckers 2 in die Kupplungsdose 3 dient.
Im Inneren des Kupplungssteckers 2 ist verschiebbar der Innenleiter 4 aufgenommen, wobei die Verschiebung des konzentrisch zur Längsachse LA2 liegenden Innenleiters 4 entlang dieser Längsachse LA2 erfolgt. Das im Bereich des ersten Kupplungssteckerende 2.1 liegende, verdickt ausgebildete, im Wesentlichen zylindrische Ende des Innenleiters 4 bildet einen Ventilkörper 7, der als Verschluss der kreisringförmig ausgebildeten Stirnfläche 2.4 des Kupplungssteckers 2 vorgesehen ist. Der Ventilkörper 7 ist hierbei derart dimensioniert, dass die Öffnung der kreisringförmig ausgebildeten Stirnfläche 2.4 des Kupplungssteckers 2 mit dem Durchmesser b passgenau vom Ventilkörper 7 verschlossen wird. Der Ventilkörper 7 weist zudem umfangsseitig zwei umlaufende Nuten 7.1 auf, die zur Aufnahme einer Dichtung 16 und eines Federkontakts 13 vorgesehen sind. Mittels der Dichtung 16 wird die stirnseitige Öffnung des Kupplungssteckergehäuses 2.2 flüssigkeitsdicht mittels des Ventilkörpers 7 verschlossen.
Die Führung des entlang der Längsachse LA2 verschiebbaren Innenleiters 4 und damit auch des Ventilkörpers 7 innerhalb des Kupplungssteckergehäuses 2.2 erfolgt u.a. mittels einer Isolierscheibe 26 vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff, die bevorzugt von mehreren parallel zur Längsachse LA2 verlaufenden Strömungskanälen durchdrungen ist. Die Isolierscheibe 26 weist hierbei eine Innenbohrung vorzugsweise mit zumindest einer Stufung auf und ist auf einen näherungsweise mittig am Innenleiter 4 angeordneten, gestuften Bereich desselben aufgeschoben. Die Stufungen der Isolierscheibe 26 und des Innenleiters 4 sowie die Innenbohrung der Isolierscheibe und der Außendurchmesser des Innenleiters 4 sind geometrisch aufeinander angepasst. Die Isolierscheibe 26 wird im entkoppelten Zustand der Steckkupplung 1 federbelastet durch die Feder 14, gegen eine Stufung 2.6 bzw. Abschrägung im Inneren des Kupplungssteckergehäuses 2.2 gedrückt. Mittels der zuvor beschriebenen Stufungen der Isolierscheibe 26 sowie des Innenleiters 4 wird die Federkraft der Feder 14 auf den Innenleiter 4 übertragen und dadurch das als Ventilkörper 7 ausgebildete freie Ende des Innenleiters 4 mit seiner Stirnseite 4.1 bündig mit der Stirnfläche 2.4 des Kupplungssteckergehäuses 2.2 gehalten, so dass im entkoppelten Zustand die an dieser Stirnseite 2.4 angeordnete Öffnung durch den Ventilkörper 7 flüssigkeitsdicht verschlossen ist.
Beim Einführen des Kupplungssteckers 2 in die Kupplungsdose 3 wird der Innenleiter 4 und damit auch der Ventilkörper 7 entlang der Längsachse LA2 des Kupplungssteckers 2 ins Innere des Kupplungssteckergehäuse 2.2 verschoben, wobei der Ventilkörper 7 in die Kontakthülse 12 zurückgeschoben wird. Diese Kontakthülse 12 ist über einen Isolierkörper 27 elektrisch isoliert mit dem Kupplungssteckergehäuse 2.2 verbunden. Sie weist zumindest einen, vorzugsweise mehrere Strömungskanäle auf, die einen Durchfluss eines Fluids entlang der Längsachse LA2 ermöglichen. Die Kontakthülse 12 dient hierbei der elektrisch leitenden Verbindung des Kopfbereichs 5.1.1 und des Ventilkörpers 7 und damit der Innenleiter 4, 5 über die Federkontakte 13 im gekoppelten Zustand der Steckkupplung 1.
Am zweiten Kupplungssteckerende 2.3 des Kupplungssteckergehäuses 2.2 ist eine Reduzierhülse 25 mit ihrem freien Ende 25.1 eingeschraubt. Diese Reduzierhülse 25 dient der Verbindung mit einer Schlaucharmatur eines flüssigkeitsgekühlten elektrischen Leiters, wobei diese Schlaucharmatur auf das freie Ende 25.2 der Reduzierhülse 25 aufschraubbar ist. Die elektrische Verbindung zwischen dem freien Ende 4.2 des Innenleiters 4 mit dem elektrischen Leiter einer am freien Ende 25.2 der Reduzierhülse 25 aufgeschraubten Schlaucharmatur erfolgt über Federkontakte 13, die am freien Ende 4.2 des Innenleiters 4 in Nuten verschiebungssicher angeordnet sind.
Bei Einführen des Kupplungssteckers 2 in die Kupplungsdose 3 und dem damit verbundenen Verschieben des Innenleiters 4 wird das freie Ende 4.2 mit den Federkontakten 13 beispielsweise in ein sacklochartig ausgebildetes Innenleiterende der Schlaucharmatur eingeschoben und damit der Innenleiter 4 des Kupplungssteckers 2 über die Federkontakte 13 mit dem elektrischen Leiter der Schlaucharmatur verbunden. Dies stellt ein mechanisch betätigtes Mittel zur Bildung bzw. Trennung der elektrisch leitenden Verbindung innerhalb des Kupplungssteckers 2 dar. Somit kann auch bei nachlaufenden Massen, beispielsweise bei Anbaugeräten, und der dadurch induzierten Spannung eine Übertragung dieser Spannung auf von einem Benutzer berührbare Flächen verhindert werden.
Im Folgenden wird insbesondere anhand einer Zusammenschau der Steckkupplung 1, wie sie in den Figuren 1 und 2 gezeigt wird, die Funktionsweise der Steckkupplung 1 erläutert.
Ausgangspunkt ist hierbei zunächst der entkoppelte Zustand, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Der entkoppelte Zustand der Steckkupplung 1 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die am ersten Kupplungssteckerende 2.1 und am ersten Kupplungsdosenende 3.1 angeordneten Öffnungen durch die federbelastet verschobenen Ventilkörper 7, 8 flüssigkeitsdicht verschlossen sind. Hierbei ist das freie Ende 4.2 des Innenleiters 4 des Kupplungssteckers 2 durch die Verschiebung des Ventilkörpers 7 und demnach auch der Verschiebung des Innenleiters 4 aus dem Innenleiter einer auf die Reduzierhülse 25 aufgeschraubten Schlaucharmatur herausgezogen und damit elektrisch getrennt.
In der Kupplungsdose 3 sind im entkoppelten Zustand die ersten und zweiten Innenleiterelemente 5.1, 5.2 elektrisch voneinander isoliert, da die Kontakthülse 11 durch die Federbelastung des Ventilkörpers 8 in Richtung erstes Kupplungsdosenende 3.1 verschoben ist und damit keine elektrische Überbrückung des Isolierkörpers 18 und des Keramikstifts 10 mittels dieser Kontakthülse 11 erfolgt. Zur Vermeidung einer elektrischen Aufladung der berührbaren freien Enden der Innenleiter 4, 5 beispielsweise durch kapazitive oder induktive Effekte werden diese Enden im entkoppelten Zustand mittels Federkontakte 13 gegenüber dem Kupplungsstecker- bzw. Kupplungsdosengehäuse 2.2, 3.2 kurzgeschlossen.
Zum Einführen des Kupplungssteckers 2 in die Kupplungsdose 3 wird selbiger mit seinem ersten Kupplungssteckerende 2.1 derart an die Kupplungsdose 3 herangeführt, dass die Stirnfläche 2.4 des Kupplungssteckergehäuses 2.2 zur Anlage gegen die Stirnfläche 8.8 des Ventilkörpers 8 und die Stirnseite 4.1 des Innenleiters 4 gegenüber der Stirnseite des Kopfbereichs 5.1.1 des ersten Innenleiterelements 5.1 zur Anlage gelangt. Die Längsachsen LA1, LA2 des Kupplungssteckers 2 bzw. der Kupplungsdose 3 kommen hierbei deckungsgleich in einer Achse zu liegen. Durch einen in Richtung der Längsachsen LA1, LA2 wirkenden Druck auf den Kupplungsstecker 2 werden die durch die Federn 14, 15 ausgeübten Federkräfte überwunden, so dass der Ventilkörper 8 und der Innenleiter 4, der freiendseitig den Ventilkörper 7 ausbildet, verschoben werden. Hierbei dringt der Kupplungsstecker 2 mit seinem ersten Kupplungssteckerende 2.1 mit der Einstecktiefe t in die Kupplungsdose 3 ein, bis die Stufung 2.5 des Kupplungssteckers 2 an der Stirnseite des Kupplungsdosengehäuses 3.2 am ersten Kupplungsdosenende 3.1 anliegt.
Durch die Verschiebung der Ventilkörper 7, 8 wird während dem Einsteckvorgang zunächst ein durchgehender Fluidkanal 6 und damit eine Fluidverbindung in der Steckkupplung 1 hergestellt. Gegen Ende des Einsteckvorgangs erfolgt die elektrische Verbindung, und zwar über das erfindungsgemäße zweitstufige Schutzsystem. Aufgrund der Verschiebung des Ventilkörpers 8 innerhalb der Kupplungsdose 3 wird die Kontakthülse 11 über den das erste und zweite Innenleiterelement 5.1, 5.2 elektrisch isolierenden Isolierkörper 18 geschoben. Mittels der Federkontakte 13, die vorzugsweise ringförmig ausgebildet sind und vorzugsweise aus einer Kupferzirkonium-Chromlegierung bestehen, wird vom ersten Innenleiterelement 5.1 über die Federkontakte 13 und die Kontakthülse 11 eine elektrisch hochleitende Verbindung geschaffen, die eine elektrische Belastbarkeit bis zu 300 KW bei einer elektrischen Stromstärke von bis zu 400 A aufweist. Selbige Anforderungen gelten ebenfalls für alle übrigen Kontaktstellen der Steckkupplung 1.
Beim Einsteckvorgang wird durch das Zurückschieben des Ventilkörpers 8 innerhalb der Kupplungsdose 3 das erste Innenleiterelement 5.1 zumindest teilweise, insbesondere im Kopfbereich 5.1.1 freigelegt. Durch das Einschieben des ersten Kupplungssteckerendes 2.1 dringt dieser freigelegte Kopfbereich 5.1.1 und zumindest teilweise der daran anschließende Innenleiterbereich 5.1.2 in den vom Ventilkörper 7 bzw. dem Innenleiter 4 freigegebenen Innenraum des Kupplungssteckergehäuses 2.2 ein. Hierbei liegen die Stirnseite des Kopfbereichs 5.1.1 und die Stirnseite 4.1 des Innenleiters 4 gegeneinander an.
Im gekoppelten Zustand der Steckkupplung 1 kommen der Ventilkörper 7 des Kupplungssteckers 2 und der Kopfbereich 5.1.1 des ersten Innenleiterelements 5.1 der Kupplungsdose 3 im Bereich der Kontakthülse 12 zu liegen und werden von dieser formschlüssig umschlossen. Durch die an dem Ventilkörper 7 und dem Kopfbereich 5.1.1 angeordneten Federkontakte 13 wird über die Kontakthülse 12 der Innenleiter 4 elektrisch mit dem ersten Innenleiterelement 5.1 des Innenleiters 5 verbunden. Somit wird über die Kontakthülsen 11, 12 im gekoppelten Zustand eine elektrische Leitfähigkeit des Innenleiters 4 des Kupplungssteckers über das erste Innenleiterelement 5.1 zum zweiten Innenleiterelement 5.2 der Kupplungsdose hergestellt.
Für den Fall, dass die aus dem Kupplungsdosengehäuse 3.2 herausgeführten Bolzen 23 außerhalb der Steckkupplung 1, beispielsweise über ein Relais 35, kurzgeschlossen werden, ist eine durchgängige elektrische Leitfähigkeit der Steckkupplung 1, wie in Fig. 5 mittels Pfeilen bildlich dargestellt realisiert.
Neben der Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Innenleitern 4, 5 des Kupplungssteckers 2 bzw. der Kupplungsdose 3 muss beim Einsteckvorgang des Kupplungssteckers 2 in die Kupplungsdose 3 auch der flüssigkeitsdichte Verschluss derselben aufgehoben werden und ein möglichst verlustarmer durchgängiger Fluidkanal 6 durch die Steckkupplung 1 geschaffen werden. Wie bereits ausgeführt, erfolgt die fluidische Kopplung des Kupplungssteckers 2 mit der Kupplungsdose 3 unmittelbar vor der Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung. Im entkoppelten Zustand verschließen die Ventilkörper 7, 8 den Kupplungsstecker 2 bzw. die Kupplungsdose 3 flüssigkeitsdicht.
Beim Einführen des Kupplungssteckers 2 in die Kupplungsdose 3 und dem bereits zuvor beschriebenen Verschieben des Innenleiters 4 bzw. des Ventilkörpers 7 und des Ventilkörpers 8 gegen die auf die wirkende Federkraft der Federn 14, 15 werden die durch die Ventilkörper 7, 8 verschlossenen Öffnungen zumindest teilweise freigegeben, so dass ein Fluidfluss über die durch die Stirnseite 2.4 definierte Grenzfläche ermöglicht wird. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei dem Fluid vorzugsweise um ein Isolieröl handelt, das durch seine Isolationseigenschaften eventuell beim Koppel- bzw. Entkoppelvorgang entstehende Lichtbögen unterdrückt, ist es vorteilhaft, dass der Fluidfluss beim Koppelvorgang zeitlich vor und beim Entkoppelvorgang zeitlich nach der elektrischen Verbindung bzw. Trennung der Innenleiter 4, 5 erfolgt.
In Fig. 6 ist beispielhaft mit Pfeilen der Weg des Fluids beim Durchfluss durch die Steckkupplung 1 gezeigt. Aufgrund der im Wesentlichen vorherrschenden Rotationssymmetrie der Steckkupplung 1 um die Längsachse LA wird ein Fluidkanal 6 geschaffen, der die Innenleiter 4, 5 umfangsseitig vollständig umgibt. An Stellen, an denen eine Abstützung der Innenleiter 4, 5 gegenüber dem Kupplungssteckergehäuse 2.2 bzw. dem Kupplungsdosengehäuse 3.2 erfolgt, werden die abstützenden Elemente, d.h. die Isolierscheiben 21, 22, 26 sowie die Isolierkörper 17, 27 von Strömungskanälen durchzogen, die derart dimensioniert sind, dass ein möglichst verlustfreier Fluss des Fluids durch die Steckkupplung 1 ermöglicht wird. Es versteht sich, dass die Flussrichtung auch in der umgekehrten Richtung erfolgen kann.
Dem Ventilkörper 7 bzw. dem Kopfbereich 5.1.1 des ersten Innenleiterelements 5.1 kommen hierbei in zweifacher Hinsicht Bedeutung zu. Zum einen dienen diese Elemente mit ihren sich entlang ihres Umfangs erstreckenden Dichtungen 16 der flüchtigkeitsdichten Abdichtung des Kupplungssteckers 2 bzw. der Kupplungsdose 3 im entkoppelten Zustand. Zudem erfolgt die elektrische Verbindung zwischen dem Innenleiter 4 und dem Innenleiter 5 im gekoppelten Zustand über die jeweils am Ventilköper 7 bzw. am Kopfbereich 5.1.1 des ersten Innenleiterelementes 5.1 angeordneten Federkontakte 13, die an den jeweiligen Elementen neben den zuvor beschriebenen Dichtungen 16 zu liegen kommen. Um sowohl eine optimale Flüssigkeitsabdichtung im entkoppelten Zustand als auch eine elektrisch hoch leitende Verbindung über die Kontakthülse 12 im gekoppelten Zustand zu erreichen, ist es notwendig, dass sowohl die Federkontakte 13 als auch die Dichtung 16 näherungsweise gleiche geometrische Formen und Außenmaße aufweisen. Zudem muss der Federkontakt 13 derart elastisch verformbar sein, dass er zum einen ohne Verkanten in die Kontakthülse 12 einschiebbar ist und zum anderen alleine durch die Federkräfte der Federn 14, 15 bedingt eine Verschiebung der Ventilkörper 7, 8 ohne Verkanten zulässt.
In Fig. 7 ist exemplarisch die Kontaktierung zwischen dem Ventilkörper 7 und der Kontakthülse 12 in einer Schnittdarstellung senkrecht zur Längsachse LA2 gezeigt. Durch die umlaufende spiralförmige Ausbildung des Federkontakts 13 um den Ventilkörper 7 lässt sich dieser beispielsweise beim Einführen in die Kontakthülse 12 bzw. in die am ersten Kupplungssteckerende 2.1 befindliche Öffnung des Kupplungssteckergehäuses 2.2 einführen, wobei deren Durchmesser b geringfügig kleiner dimensioniert sein kann, so dass der Federkontakt 13 dort derart verformt wird, dass die einzelnen Wendeln der Federkontakte 13 einen kleineren Winkel zur Tangente T an den Ventilkörper 7 einnehmen als im Falle vor der Verformung.
Die Steckkupplung 1, die beispielsweise eine elektrische Belastbarkeit mit bis zu 300 KW bei einer elektrischen Stromstärke von bis zu 400 A aufweist und vorzugsweise zur Übertragung von Gleichstrom bzw. Gleichspannung ausgebildet ist, wird vorzugsweise, wie in den Figuren 8 und 9 gezeigt, paarweise angeordnet, wobei zwei Kupplungsstecker 2, 2' mittels einer Kupplungssteckerplatte 28 nebeneinander liegend zueinander beabstandet angeordnet sind, so dass die Mittelpunkte der kreisförmigen Stirnseiten der Kupplungsstecker 2, 2' in der senkrecht zu den Längsachsen LA2, LA2' verlaufenden Querachse QA aufgenommen sind. Die Kupplungsstecker 2, 2' durchdringen hierbei mit ihren ersten Kupplungssteckerenden 2.1, 2.1' die Kupplungssteckerplatte 28 in kreisrunden Öffnungen, wobei die Kupplungstecker 2, 2' mit ihren den ersten Kupplungssteckerenden 2.1, 2.1' zugewandten Stirnflächen der Flansche 2.7 rückseitig zur Anlage gegenüber der Kupplungssteckerplatte 28 gebracht und mit dieser vorzugsweise verschraubt sind. Durch die paarweise Anordnung zweier Kupplungsstecker 2, 2' an der Kupplungssteckerplatte 28 ist gleichzeitig eine Verbindung zweier Kupplungsstecker 2, 2' mit zwei Kupplungsdosen 3, 3' möglich, so dass in einem einzigen Kupplungsvorgang ein geschlossener Stromkreis bzw. Fluidkreislauf bestehend aus Hin- und Rückleiter realisiert werden kann.
Ebenso ist eine Anordnung zweier Kupplungsdosen 3, 3' an einer Kupplungsdosenplatte 29 vorgesehen, wobei die einzelnen Kupplungsdosen 3, 3' mittels der Flansche 3.2.4 an der Kupplungsdosenplatte 29 angeordnet werden. Hierbei durchdringen die Kupplungsdosen 3, 3' mit ihrem ersten Kupplungsdosenende 3.1, 3.1' die Kupplungsdosenplatte 29 vorzugsweise passgenau an kreisrunden Öffnungen, wobei die Kupplungsdosenplatte 29 an der dem ersten Kupplungsdosenende 3.1, 3.1' zugewandten Stirnseite des Flansches 3.2.4 zur Anlage gelangt und vorzugsweise bündig mit dem ersten Kupplungsdosenende 3.1, 3.1' abschließt, d.h. mit diesem im Wesentlichen eine Ebene bildet.
Um einen Kupplungsvorgang ohne Verkanten zu ermöglichen, ist es notwendig, die Kupplungsstecker 2, 2' auf die Kupplungsdosen 3, 3' auszurichten, sodass die Kupplungsstecker 2, 2' leicht in die Kupplungsdosen 3, 3' eintauchen können. Hierzu sind an der Kupplungssteckerplatte 28 ein Zentrierbolzen 30 und eine Pastille 31 vorgesehen, die senkrecht von der Kupplungssteckerplatte 28 bzw. parallel zu den Längsachsen LA2, LA2' abstehen. Der Zentrierbolzen 30 und die Pastille 31 sind hierbei mittig zwischen den beiden Kupplungssteckern 2, 2' und versetzt zur Querachse QA angeordnet. Der Zentrierbolzen 30 dient bei der Einführung der Kupplungsstecker 2, 2' in die Kupplungsdosen 3, 3' der Zentrierung dieser Elemente aufeinander, d.h. der Zentrierbolzen 30 schränkt die Bewegung der Kupplungsstecker 2, 2' in horizontaler und vertikaler Bewegungsrichtung ein. Um eine Rotation um den Zentrierbolzen 30 zu vermeiden, ist die Pastille 31 vorgesehen, die zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen umfangsseitig vorzugsweise prismenförmig bearbeitet ist. Der Zentrierbolzen 30 und die Pastille 31 wirken an der Kupplungsdosenplatte 29 mit Bundbuchsen 32 zusammen, und tauchen beim Kupplungsvorgang in diese Bundbuchsen 32 ein.
Um eine lösbare, sichere, mechanische Verriegelung der Kupplungsstecker 2, 2' und der Kupplungsdosen 3, 3' zu erreichen, ist ein Sichelhebel 33 an der Kupplungssteckerplatte 28 vorgesehen, der mit Bolzen 34, die mit der Kupplungsdosenplatte 29 verbunden sind, zusammenwirkt. Der Sichelhebel 33 ist bügelartig ausgebildet, wobei ein Griff 33.1 zwei seitlich an der Kupplungssteckerplatte 28 angeordnete Sichelhebelhälften 33.2, 33.2', miteinander verbindet. Die Sichelhebelhälften 33.2, 33.2', sind drehbar um eine senkrecht zur Längsachse LA2, LA2' der Kupplungsstecker 2, 2' und parallel zur Querachse QA verlaufende Drehachse DA gelagert und weisen je eine sichelartige Ausnehmung 33.3, 33.3' auf.
Diese Ausnehmungen 33.3, 33.3' sind zur Aufnahme von an der Kupplungdosenplatte 29 befestigten Bolzen 34 ausgebildet. Zur Verriegelung der Steckkupplungen 1,1' werden zunächst der Zentrierbolzen 30 und die Pastille 31 an die Bundbuchsen 32 herangeführt und in diese eingesteckt und anschließend die Bolzen 34 in Eingriff mit den Ausnehmungen 33.3, 33.3' des Sichelhebels 33 gebracht. Durch ein Verschwenken des Sichelhebels 33 derart, dass der Griff 33.1 in Richtung der zweiten Kupplungssteckerenden 2.3, 2.3' geschwenkt wird, gleiten die Bolzen 34 in den Ausnehmungen 33.3, 33.3', und zwar derart, dass deren Radius bezogen auf die Drehachse DA zum geschlossenen Ausnehmungsende hin kleiner wird. Dadurch werden die Kupplungsstecker 2, 2' durch das Verschwenken des Sichelhebels 33 zunehmend an die Kupplungsdosen 3, 3' herangeführt. Der gekoppelte Zustand der Steckkupplungen 1, 1' ist erreicht, wenn die Bolzen 34 an den Enden der Ausnehmungen 33.3, 33.3' und die Kupplungssteckerplatte 28 und die Kupplungsdosenplatte 29 gegeneinander zur Anlage gelangen. Das Lösen der Steckkupplungen 1, 1' erfolgt durch Betätigung des Sichelhebels 33 in umgekehrter Richtung.
Als Fluid in der erfindungsgemäßen Steckkupplung 1 wird einen Isolieröl bevorzugt verwendet, das sehr gute elektrische Isolationseigenschaften aufweist und damit eine elektrische Isolation der Innenleiter 4, 5 von dem Kupplungssteckergehäuse 2.2 und dem Kupplungsdosengehäuse 3.2 in den Bereichen der Fluidkanäle 6 gewährleistet.
Das Kupplungssteckergehäuse 2.2 und das Kupplungsdosengehäuse 3.2 sind hierbei jeweils mit dem Massepotential, d.h. beispielsweise dem Potential des Fahrzeugs oder des Anbaugerätes verbunden, so dass im gekoppelten Zustand durch diese Massepotentiale elektrisch verbunden sind und damit ein gemeinsames, gleiches Potential aufweisen. Neben der elektrischen Isolation dient das Isolieröl zudem der thermischen Kühlung der Innenleiter 4, 5 der Steckkupplung 1, wobei das Isolieröl hierbei mit Drücken von bis zu 20 MPa, vorzugsweise Drücken kleiner als 6 MPa durch die Steckkupplung 1 im gekoppelten Zustand gedrückt wird. Hierbei ist die Steckkupplung 1 für eine Strömungsgeschwindigkeit des Isolieröls von maximal 3 m pro Sekunde bei einem Volumenstrom von 120 Kubikdezimeter pro Minute ausgelegt. Neben der Isolierung und der Kühlwirkung kommt dem Isolieröl zusätzlich die Aufgabe der Unterdrückung von Lichtbögen, die bei dem Kopplungs- bzw. Entkopplungsvorgang entstehen können, zu.
Im Folgenden wird anhand der Figur 10 das gesamte Schutzkonzept, in welches das erfindungsgemäße elektromechanische Schutzsystem des Steckkupplungssystems 1 eingebunden ist, näher erläutert.
Fig. 10 zeigt hierbei in einer schematischen Darstellung ein Nutzfahrzeug, beispielsweise einen Traktor mit einem Anbaugerät, wobei die elektrische und fluidische Kopplung zwischen Nutzfahrzeug und Anbaugerät mittels zweier erfindungsgemäßer Steckkupplungen 1 erfolgt. In vorliegender schematischer Darstellung ist aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich das elektrische Netz ohne Fluidkreislauf skizziert.
Das Nutzfahrzeug weist einen Verbrennungsmotor auf, dessen mechanische Leistung zum Antrieb eines Generators dient. Die vom Generator abgegebene Wechselspannung bzw. der Wechselstrom wird über einen Gleichrichter in Gleichspannung bzw. Gleichstrom umgesetzt, welche zum Aufbau eines Gleichspannungsnetz vorgesehen ist. Dieses Gleichspannungsnetz dient sowohl zum Antrieb des Nutzfahrzeugs selbst als auch zum Antrieb von Nebenaggregaten und Anbaugeräten.
Sämtliche spannungs- und stromführenden Elemente sind von einer elektrisch leitfähigen, vorzugsweise metallischen Schutzhülle 37 umgeben, die gegenüber den spannungs- und stromführenden Elementen elektrisch isoliert ist. Die Schutzhülle 37 wird im Bereich der Schlauchleitungen 38 durch ein metallisches Gewebe in der Schlauchwandung und im Bereich der Steckkupplung 1 durch das Kupplungsstecker- bzw. Kupplungsdosengehäuse 2.2, 3.2 gebildet. Durch die sämtliche spannungs- und stromführenden Elemente umgebende Schutzhülle 37 ist eine hoch wirksame Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung (EMV) geschaffen, so dass eine Störung von sensiblen, in der Nähe der spannungs- und stromführenden Elemente angeordnete elektrische Bauelemente bei höheren Spannungs- oder Stromschwankungen erheblich reduziert sind.
Über eine Widerstandsmessung ist beispielsweise die Isolation zwischen den spannungs- bzw. stromführenden Elementen und der Schutzhülle 37 überprüfbar, so dass bei nachlassender oder fehlender Isolation geeignete Sicherungsmaßnahmen wie beispielsweise die Ausgabe einer Fehlermeldung oder eine Notabschaltung eingeleitet werden können.
Zur Überwachung und Steuerung sämtlicher im Bereich des Nutzfahrzeugs und des Anbaugerätes angeordneter elektronischer Systemkomponenten ist beispielsweise ein Bussystem, vorzugsweise ein CAN-Bus ("Controller Area Network Bus") vorgesehen. Im Bereich der Steckkupplung 1 dient dieses Bussystem sowohl der Feststellung des aktuellen Kopplungszustands, der Sicherung der Steckkupplung 1 gegen unsachgemäße Trennung bei Stromfluss über die Steckkupplung 1 als auch der Steuerung der elektronischen Schaltmittel, insbesondere des Relais 35, zur Herstellung oder Trennung der elektrisch leitfähigen Verbindung.
Wie in den Figuren 10 und 11 dargestellt, ist oberhalb der Kupplungsdosen 3, 3' eine Elektronikbox 39 angeordnet, die einen Anschluss 40 für das Bussystem aufweist. Diese Elektronikbox 39, in die die von den Kupplungsdosen 3, 3' abstehenden Bolzen 23 geführt sind, enthält neben den Relais 35 zur elektrischen Verbindung dieser Bolzen 23 u.a. einen Hubmagneten 36 mit einem Verriegelungsbolzen 36.1, der durch die seitliche Wandung der Elektronikbox 39 hindurch mit einer Bohrung 41 bzw. Buchse im Sichelhebel 33 im gekoppelten Zustand zusammenwirkt. Der Hubmagnet 36 ist hierbei über das Bussystem derart ansteuerbar, dass im gekoppelten Zustand bei Übertragung elektrischer Leistung über die Steckkupplung 1 der Sichelhebel 33 durch den Verriegelungsbolzen 36.1 gegen Verschwenken und damit die Steckkupplung 1 gegen unsachgemäßes Lösen gesichert ist. Das Verschwenken des Sichelhebels 33 wird hierbei dadurch unterbunden, dass der Verriegelungsbolzen 36.1 des Hubmagneten 36 in die Bohrung 41 des Sichelhebels 33 eingreift ist (Fig. 12).
Zum Lösen der Steckkupplung 1 wird der Hubmagnet 36 über das Bussystem derart angesteuert, dass der Verriegelungsbolzen 36.1 zumindest teilweise in die Elektronikbox 39 zurückgezogen wird, so dass dessen Eingriff in die Bohrung 41 gelöst und der Sichelhebel 33 zum Lösen der Steckkupplung 1 verschwenkbar ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zur Bestimmung des Kopplungszustands der Steckkupplung 1 zumindest ein erster Näherungssensor vorgesehen. Dieser erste Näherungssensor detektiert den Abstand des Kupplungssteckers 2, 2' von der Kupplungsdose 3, 3', insbesondere über den Einschubzustand des Zentrierbolzens 30 in die Bundbuchse 32. Vorzugsweise ist ein zweiter Näherungssensor vorgesehen, der die Position des Verriegelungsbolzens 36.1 des Hubmagneten 36 detektiert. Es versteht sich, dass weitere Näherungssensor zur Abfrage von Zuständen Verwendung finden können, beispielsweise ein Winkelsensor zur Detektion des Schwenkzustands des Sichelhebels 33. Mittels dieser Näherungssensoren lassen sich der Kopplungszustand der Steckkupplung 1 und insbesondere auch die Verriegelung selbiger mittels des Sichelhebels 33 über das Bussystem überprüfen und abhängig von den durch die Näherungssensoren ermittelten Messwerten bestimmte Abläufe einleiten bzw. blockieren.
In Fig. 13a ist beispielhaft mittels eines Ablaufdiagramms die einzelnen Verfahrensschritte zum Lösen der Steckkupplung 1 gezeigt. Vor dem Lösen der Steckkupplung 1 wird zunächst das mittels der Steckkupplung 1 mit dem Nutzfahrzeug verbundene Anbaugerät abgestellt, so dass der elektrische Stromfluss über die Steckkupplung 1 gestoppt werden kann. Anschließend werden über das Bussystem das Relais 35 derart angesteuert, dass jeweils die beiden Bolzen 23 einer Kupplungsdose 3, 3' voneinander elektrisch getrennt sind.
Vorzugsweise ist jeweils ein Relais 35 pro Kupplungsdose 3, 3' vorgesehen. Der Hubmagnet 36 wird durch das Bussystem derart angesteuert, dass der Verriegelungsbolzen 36.1 aus der Bohrung 41 zurückgezogen wird. Diese Abläufe können von einem Benutzer nacheinander oder vorzugsweise von einer Ablaufsteuerung vollautomatisch durchgeführt werden, so dass lediglich über einen einzigen Befehl, beispielsweise "Trennen Anbaugerät", die zuvor beschriebenen Abläufe eingeleitet werden. Anschließend können die Steckkupplung 1 durch Betätigen des Sichelhebels 33 getrennt und die Kupplungsstecker 2, 2' aus den Kupplungsdosen 3, 3' herausgezogen werden.
Fig. 13b zeigt beispielhaft in einem Ablaufdiagramm die Abläufe beim Verbinden der Steckkupplung 1. Zunächst werden die Kupplungsstecker 2, 2' in die Kupplungsdosen 3, 3' eingeführt und der Sichelhebel 33 in die in Figur 12 gezeigte Schließposition verschwenkt.
Bei erfolgter Freigabe über den Näherungssensor, d.h. die Kupplungsstecker 2, 2' sind in die Kupplungsdosen 3, 3' eingeführt, wird der Hubmagnet 36 derart angesteuert, dass der Verriegelungsbolzen 36.1 in die Bohrung 41 eintaucht. Nach dem Verriegeln erteilt der Näherungssensor eine Freigabe, was die Ansteuerung der Relais 35 anstößt und dadurch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den zweiten und dritten Innenleiterelementen 5.2, 5.3 über die mittels der Relais miteinander verbundenen Bolzen 23 hergestellt wird.
Die genannten Abläufe können wiederum getrennt voneinander einzeln durchgeführt werden oder mittels eines einzigen Befehls angestoßen werden. Nach dem Ablauf dieser Schritte sind ein Anschalten des Anbaugerätes und eine Leistungsübertragung zu ebendiesem möglich.

Bezugszeichenliste

1: Steckkupplungssystem
2, 2': Kupplungsstecker
2.1, 2.1': erstes Kupplungssteckerende
2.2: Kupplungssteckergehäuse
2.3: zweites Kupplungssteckerende
2.4: Stirnfläche
2.5: Stufung
2.6: Stufung
2.7: Flansch
3, 3': Kupplungsdose
3.1, 3.1': erstes Kupplungsdosenende
3.2: Kupplungsdosengehäuse
3.2.1: Innenseite
3.2.2: Nut
3.2.3: Stufung
3.2.4: Flansch
3.3: zweites Kupplungsdosenende
4: Innenleiter
4.1: Stirnseite
4.2: freies Ende
5: Innenleiter
5.1: erstes Innenleiterelement
5.1.1: Kopfbereich
5.1.2: Innenleiterbereich
5.2: zweites Innenleiterelement
5.3: drittes Innenleiterelement
5.3.1: freies Ende
6: Fluidkanal
7: Ventilkörper
7.1: Nut
8: Ventilkörper
8.1: erste Stufung
8.2: zweite Stufung
8.3: Teilbereich
8.4: Teilbereich
8.5: erster Innenseitenbereich
8.6: zweiter Innenseitenbereich
8.7: Stufung
8.8: Stirnfläche
10: Keramikstift
11: Kontakthülse
12: Kontakthülse
12.1: Kontakthülseninnenseite
13: Federkontakt
14: Feder
15: Feder
16: Dichtung
17: Isolierkörper
18: Isolierkörper
19: Isolierkörper
21: Isolierscheibe
22: Isolierscheibe
23: Bolzen
24: Innengewinde
25: Reduzierhülse
25.1: freies Ende
25.2: freies Ende
26: Isolierscheibe
27: Isolierkörper
28: Kupplungssteckerplatte
29: Kupplungsdosenplatte
30: Zentrierbolzen
31: Pastille
32: Bundbuchse
33: Sichelhebel
33.1: Griff
33.2, 33.2': Sichelhebelhälfte
33.3, 33.3': Ausnehmungen
34: Bolzen
35: Relais
36: Hubmagnet
36.1: Verriegelungsbolzen
37: Schutzhülle
38: Schlauchleitung
39: Elektronikbox
40: Anschluss
41: Bohrung
a: Ringstärke
b: Durchmesser
c: Außendurchmesser
d: Durchmesser
t: Einstecktiefe
DA: Drehachse
LA1, LA1': Längsachse
LA2, LA2': Längsachse
QA: Querachse
T: Tangente

Claims

Steckkupplungssystem zur Übertragung elektrischer Energie hoher Leistung sowie zur Übertragung eines unter Druck stehenden Fluids bestehend aus zumindest einem Kupplungsstecker (2, 2') und zumindest einer Kupplungsdose (3, 3') mit jeweils zumindest einem elektrischen Leiter (4, 5), wobei der Kupplungsstecker (2, 2') in die Kupplungsdose (3, 3') zur Bildung eines gekoppelten Zustands einführbar ist und aus der Kupplungsdose (3, 3') zur Bildung eines entkoppelten Zustands entfernbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steckkupplungssystem zumindest ein elektromechanisches Schutzsystem bestehend aus zumindest einem elektronischen Schaltmittel (35) und zumindest einem innerhalb der Kupplungsdose (3) und/oder des Kupplungssteckers (2) angeordnetem mechanischen Schaltmittel (4, 11) zur Herstellung oder Trennung der elektrisch leitenden Verbindung aufweist, wobei die elektronischen Schaltmittel (35) und die mechanischen Schaltmittel (4, 11) unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
Steckkupplungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elektronische Schaltmittel durch ein Relais (35) gebildet ist oder dass das zumindest eine elektronische Schaltmittel durch einen zumindest ein elektronisches Hochleistungsbauelement, vorzugsweise einen Hochleistungstransistor aufweisenden elektronischen Schaltkreis gebildet ist.
Steckkupplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine mechanische Schaltmittel (4, 11) zur Herstellung oder Trennung der elektrisch leitenden Verbindung durch das Einführen des Kupplungssteckers (2, 2') in die Kupplungsdose (3, 3') oder durch das Herausnehmen des Kupplungssteckers (2, 2') aus der Kupplungsdose (3, 3') schaltbar ist und/oder dass der Kupplungsstecker (2, 2') und die Kupplungsdose (3, 3') einen von einem Fluidkanal (6) umgebenen Innenleiter (4, 5) aufweisen.
Steckkupplungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenleiter (4, 5) des Kupplungssteckers (2, 2') und der Kupplungsdose (3, 3') zumindest teilweise von einer elektrisch leitfähigen Kontakthülse (11, 12) umgeben sind, wobei die elektrisch leitfähige Kontakthülse (11) gegenüber dem Innenleiter (5) verschiebbar ausgebildet ist oder der Innenleiter (4) gegenüber der elektrisch leitfähige Kontakthülse (12) verschiebbar ausgebildet ist.
Steckkupplungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthülse (12) des Kupplungssteckers (2, 2') die Innenleiter (4, 5) des Kupplungssteckers (2, 2') und der Kupplungsdose (3, 3') im gekoppelten Zustand elektrisch leitfähig verbindet und/oder dass der Innenleiter (5) der Kupplungsdose (3, 3') mehrteilig ausgebildet ist.
Steckkupplungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (5) zumindest zwei Innenleiterelemente (5.1, 5.2, 5.3) aufweist, die elektrisch isoliert miteinander verbunden sind, wobei die zumindest zwei Innenleiterelemente (5.1, 5.2) vorzugsweise über einen Keramikstift (10) miteinander verbunden sind.
Steckkupplungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Innenleiterelemente (5.1, 5.2) der Kupplungsdose (3, 3') im gekoppelten Zustand durch eine Kontakthülse (11) elektrisch leitend verbindbar sind und/oder dass die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Innenleiter (4, 5) und der Kontakthülse (11, 12) mittels zumindest einem ringförmigen Federkontakt (13) herstellbar ist.
Steckkupplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch jeweils ein vollumfängliches Kupplungssteckergehäuse (2.2) und ein Kupplungsdosengehäuse (3.2) aus elektrisch leitfähigem Material.
Steckkupplungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei gelöster Verbindung zwischen Kupplungsstecker (2, 2') und Kupplungsdose (3, 3') die Innenleiter (4, 5) des Kupplungssteckers (2, 2') und der Kupplungsdose (3, 3') gegenüber dem Kupplungssteckergehäuse (2.2) oder dem Kupplungsdosengehäuse (3.2) kurzgeschlossen sind und/oder dass im gekoppelten Zustand das Kupplungssteckergehäuse (2.2) und das Kupplungsdosengehäuse (3.2) elektrisch leitend verbunden sind und das Massepotential bilden.
Steckkupplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verriegelungsmechanismus zum Einführen und Fixieren des zumindest einen Kupplungssteckers (2, 2') in der zumindest einen Kupplungsdose (3, 3') vorgesehen ist, wobei der Verriegelungsmechanismus durch einen Hebel, vorzugsweise einen Sichelhebel (33) oder durch ein Getriebe gebildet wird.
Steckkupplungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verriegelungsmechanismus elektronisch und/oder mechanisch gegen unsachgemäße Betätigung gesichert ist und/oder dass die Sicherung über einen elektrisch ansteuerbaren Hubmagneten (36) erfolgt.
Steckkupplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Näherungssensor zur Ermittlung des gekoppelten und/oder entkoppelten Zustands vorgesehen ist.
Steckkupplungssystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor zur Ermittlung des Zustands des Hubmagneten (36) vorgesehen ist.