JP6851490B2 - 過酷な環境のための高電力ブッシング - Google Patents
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Description
たとえば、数百ボルトから数万ボルトの範囲内の中電圧から高電圧の状況では、高い電力が提供されることが多く、それによって比較的低い電流が外部ケーブル内で搬送されるのに対して、他の応用例、たとえば電気車両などの移動用のDCの応用例では、比較的低い電圧を使用することができ、それによってそれぞれのケーブルの駆動電流能力に対して、高い要件が課されることがある。いずれにせよ、対応する外部ケーブルは、導体材料、導体断面、絶縁シースなどに対して適切な構成を必要とすることがあり、それによって典型的にはその結果、ケーブル構成は、数センチメートルの断面を有する1つまたは複数の銅ベースまたはアルミニウムベースのコアワイアを含み、コアワイアは、ケーブル全体の必要とされる絶縁挙動および完全性を提供する適切な絶縁またはカバー材料によって取り囲まれる。
これらのケーブルは、比較的過酷な環境にさらされることが多いため、たとえばそのようなケーブルは、直射日光、約−50℃〜70℃の範囲内の極端な温度などへの露出を含む外部条件にさらされることがあり、それによって適切なシース材料の使用を必要とし、したがってコア材料に加えて、それぞれのケーブルの追加の重量にも寄与することがある。
この目的で、対応するブッシングは、典型的には高伝導性の金属導体を含み、これは典型的には銅ボルトの形態であり、エポキシ樹脂などの適切な材料から形成された絶縁材料によって取り囲まれる。エポキシ樹脂は、高い機械的強度および剛性ならびに優れた絶縁特性を呈することが知られている。機械的かつ電気的に安定したブッシングを提供するために、金属コアおよびエポキシ樹脂は、典型的には、たとえば射出成形によって一体の構成要素に形成され、それによって頑丈かつ剛性の生成物が得られる。したがって、任意の適切な位置に適切な装着フランジを提供することによって、ハウジング内に設けられた対応する孔にブッシングを挿入することができ、装着フランジによって固定することができ、その結果、ブッシングの一端に取り付けられた外部ケーブルと、ブッシングの他端に接続されたハウジング内部導体との間の接続に、高い機械的かつ電気的な完全性を提供することができる。
典型的にはエポキシ樹脂と通常は高伝導性の銅材料とでは、熱膨張係数が非常に異なることがあるため、そのような極端な温度自体が、ブッシングにとって著しいストレスとなることがあり、その結果、特に特定の機械的な力が特定のブッシング構成要素にさらに作用する可能性があるとき、絶縁エポキシ樹脂内に亀裂または何らかの他の損傷が生じることがある。
すなわち、ブッシング導体のそれぞれの接続部に作用する機械的な力に応答するとき、それぞれの機械的な力がブッシングに作用しうる時間間隔が比較的長いことを考慮しても、絶縁本体のそれぞれの部分は、それぞれの機械的な力、したがってブッシング導体の関連部分の対応する弾性変形による影響を実質上受けないままであり、それによって絶縁本体の損傷のリスクを回避し、または少なくとも大幅に低減させることができる。したがって、本発明の原理によれば、絶縁本体の一部からのブッシング導体の一部の機械的結合解除という概念を使用することによって、ブッシング導体が静的および/または動的負荷などの機械的な力に応答することを可能にすることによって、絶縁本体の周囲部分に対する影響がないまたは低減された影響しかない適切な弾性変形によって、高電力ブッシングなどのブッシングの信頼性の大幅な増大を得ることができることが認識されている。
したがって、たとえば上記で論じたように、極端な温度条件でも、絶縁本体内で使用される典型的な絶縁材料の機械特性のそれぞれの劣化が、ブッシングの全体的な機能的挙動に著しく影響を及ぼすことを防止することができる。これは、ブッシング導体の弾性変形した部分と絶縁本体のそれぞれの周囲部分との間の機械的接触を実質上回避し、または少なくとも低減させることによって実現される。たとえば大きいコンタクタ質量の機械的衝撃の頻繁な発生によってそれぞれの振動が引き起こされた場合でも、ブッシング導体の関連部分および絶縁本体の関連部分の高度な機械的結合解除構成により、ブッシングの全体的な信頼性を強化し、したがって絶縁本体のそれぞれの部分が変形/破損する確率を低減させることができる。
たとえば、シリコーンゴムなどの材料、すなわちシリコーンゲルまたはフォームなどの形態の材料を、弾性充填材料として効果的に使用することができ、したがって広範囲の温度および他の複雑な環境条件にわたって弾性特性を提供することができる。上記ですでに論じたように、全体的な構成および要件に応じて、隙間は必ずしも弾性充填材料によって完全に充填されるとは限らない。
この目的で、実験および/またはシミュレーションを実施して、それぞれの応用例に対する隙間の適切な代表的な幅を推定することができる。隙間の代表的な幅とは、隙間の径方向サイズを画定する特徴的な尺度を表す幅であると理解されるべきであることを理解されたい。たとえば、隙間の径方向寸法または幅寸法は、ブッシングの寿命中に生じうる特定の「非弾性」成分によって引き起こされる製造公差により、かつ/または公差の範囲内で、変動することがあり、その結果、場合により、1つまたは複数の方向に沿って幅が低減され、他の方向に沿って幅が増大されることがあり、それぞれの機械的変形は、他の方向より低い頻度で生じている可能性がある。この場合、代表的な幅は、隙間の長さ寸法に沿って幅を平均化することによって得ることができる。さらに、他の場合、隙間は、その長さ寸法に沿って先細りすることができ、先細りは特有の長さ位置で始まる。この場合、最大の幅を、隙間の径方向尺度を画定する代表的な幅として使用することができる。
さらに、それぞれの径方向の力が発生する際に振動作用が優先しうるとき、これらの動揺に優先的な方向があるかどうか、またはこれらの動揺が広範囲の径方向に沿って生じうるかどうかは、事前に明らかでない可能性がある。この場合でも、ブッシング導体の関連部分と絶縁本体の関連部分との間の著しい機械的結合解除は、結合解除作用が実質上径方向に無関係であるため、保証することができる。
たとえば、1つの径方向が、それぞれ径方向の力に応答する弾性変形能力を必要とする主方向として特定され、他の方向は、優れた剛性を必要としうる場合、たとえば上記で指定した条件に対応するように全体的な幾何形状などを提供することによって、断面構成を特別に適合させることができる。さらに、そのような非放射対称形の断面は、導体ボルトの長さにわたって異なることがある。機械的負荷の大部分は、締付けが位置するブッシングの中央で生じるため、この区域内に、より頑丈な非放射対称形の形状を有することが有利である。原則的に、この形状はこのとき、ボルトの長さにわたって変動することができ、少なくともブッシングの接続端付近では、回転対称形の形状になることができる。
アルミニウムシースを使用するとき、その層厚さは、比較的薄く選択することができ、その結果、全体的な機械的および熱的挙動は、比較的厚いアルミニウムシースを提供した場合と比較すると、エポキシ樹脂によって実質上決定される。さらなる選択肢では、遮蔽シースは、高分子または金属のコーティング材料を使用することによって、絶縁本体の内面のコーティングとして提供することができる。
特に、典型的に使用される磁気コンタクタアセンブリの強い機械的な影響は、磁気コンタクタアセンブリ内の重いコンタクトの衝突により著しい機械的な衝撃および振動をもたらすことがあるが、ブッシング導体の関連部分の弾性的または従順な挙動によって高度に「中性化」することができるため、本発明のブッシングは、列車の応用例で優れた信頼性を提供することができる。同様に、他の現在または将来の応用例では、バン、乗用車など、電気駆動車両の特有の場所に、著しい電力を供給しなければならないことがあり、電気車両の内部または外部で引き起こされる特有の振動により、著しい機械的応力を伴うこともある。道路交通または鉄道交通向けに設計された多くの現在利用可能な電気車両では、典型的には、モータ、電池などのそれぞれの構成要素にDC電圧を供給しなければならないことがあることを理解されたい。
この場合でも、本発明のブッシングの優れた機械的挙動は、強化された信頼性を提供することができる。特に、高電力DCの応用例では、対応するブッシングの絶縁特性の優れた信頼性は、それぞれの回路を開閉する際に生じうるそれぞれのアークの非自消性挙動により、重要が増大している。
ブッシング100は、長細い絶縁本体110を備えており、絶縁本体110は、ブッシング導体120を取り囲み、銅、銅合金、アルミニウムなどの任意の適切な材料から形成することができる。1つの特定の実施形態では、長細いブッシング導体120は、後により詳細に論じるように、適切な形状を有する銅導体の形態で提供される。
たとえば、シース114は、第2の本体端部112および/または本体中央部113のいくつかの部分でブッシング導体120に密に接触することができ、それによってやはり後により詳細に論じるように、第2の本体端部112の区域内、および少なくとも部分的に本体中央部113内に、絶縁本体110およびブッシング導体120の機械的に頑丈かつ剛性の構成を提供することができる。1つの例示的な実施形態では、遮蔽シース114は、アルミニウムから形成することができ、それによって、絶縁本体110の絶縁材料115と比較すると、たとえば絶縁本体110の材料115にエポキシ樹脂が使用されるとき、熱膨張に関して類似の特性を提供することができる。遮蔽シース114の厚さは、全体的な構成に応じて、約0.05mm〜5mm以上の範囲内とすることができる。
遮蔽シース114の厚さは、全体的な構成にとって適切であると考えられる場合、ブッシング100の長さ方向に沿って変動することができることをさらに理解されたい。他の実施形態では、遮蔽シース114は、厚さ0.5mm以下のコーティングの形態で提供することができる。
図2に示す実施形態では、端面121Fのサイズおよび/または形状は、端面122Fのサイズおよび/または形状とは異なることができ、したがってブッシング120のこれらの異なる部分は、対応するハウジング内およびハウジング外のそれぞれの要件に特に適合させることができる。たとえば、多くの場合、それぞれの高電力ケーブルおよびそれらのコンタクトアセンブリは、標準化された寸法および形状に応じて提供され、したがって第1の端面121Fは、そのような標準化された要件に特に適合させることができ、それによって標準的なケーブルおよび/またはコンタクトアセンブリへの接続を可能にする。他方では、第2の端面122Fは、低減された全体的な抵抗および高い機械的な頑丈さを提供し、特定用途向けのハウジング内部導体への接続を可能にするように、適切に選択することができる。たとえば、図2に示すように、例示的な実施形態では、端面122Fの断面サイズは、端面121Fの断面サイズより大きくすることができる。
同様に、ブッシング100は、それぞれの端子部、または外部ケーブルもしくはコンタクトアセンブリ140と組み合わせて提供される任意の他のコンタクトアセンブリに接続することができる。したがって、ブッシング導体120は、その接続部121によって、ケーブル140の端子部またはコンタクトアセンブリに、機械的に、したがって電気的に、密に接触するように、接続することができる。特に、接続部121の端面121Fは、ケーブル140のそれぞれの部分に接触しており、ねじ141などの任意の適切な締結手段によって、機械的に固定することができ、ねじ141は、ブッシング導体120内に形成された対応する孔124にねじ留めすることができる。すでに論じたように、締結部材141およびねじ孔124は、対応する規格に準拠する任意の端子部またはコンタクトアセンブリの接続を可能にするために、指定の規格に準拠するように構成することができる。
したがって、外部ケーブルまたは対応する端子部もしくはそのコンタクトアセンブリが接続部121に機械的に接続されるとき、電気的接続は、端面121Fおよびケーブル140の対応する表面部分によって、場合により締結部材141と組み合わせて、基本的に確立され、接続部121の外面区域が、ケーブル140との電気的かつ機械的な接続に寄与しない。
さらに、必要とされる場合、たとえば適切なコンタクトアセンブリを介してケーブル140を第1の接続部121に接続する前に、締結部材126を動作させるそれぞれの工具を第1の接続部121から挿入することができる。
たとえば、少なくとも第2の接続部122および中央部123の一部において、ブッシング導体120と絶縁本体110との間にフォームクロージャを確立することができる。他の場合、フォームクロージャは、中央部123の部分内のみに確立することができる。
特に、弾性変形能力を有する接続部121、および/または弾性変形能力を有するときの接続部122はまた、任意のタイプの振動または動揺に適切に応答することができ、したがって、そのような振動に伴う機械的応力が、絶縁本体110に実質上結合されないようにすることができ、または少なくとも大幅に減衰させることができ、それによって絶縁本体110、したがってブッシング100全体の優れた信頼性に寄与することもできる。一方または両方の接続部121、122が、多少の静的変形を受けることによって、好ましくは、ブッシング100に作用する静的負荷に応答することもできることを理解されたい。
隙間160の特定用途向けの幅は、実験および/またはシミュレーションによって容易に決定することができ、必要とされる幅W1を得るために、導体120の全体的な断面サイズ、断面の幾何形状、材料特性、ならびに対応する振動および/または径方向の力のタイプおよび振幅を、シミュレーションに入れることができることを理解されたい。例示的な実施形態では、隙間160の長さ寸法、すなわち絶縁本体110の端部に対してゼロ以外の幅を有する空間の長さは、15mm〜300mmの範囲内とすることができることを理解されたい。隙間160の幅は、隙間の特徴的な尺度を画定するために、代表的な値または幅によって画定することができることをさらに理解されたい。そのような代表的な幅は、幅W2、構成要素110および120間のゼロ以外の距離が確立される隙間160の長さに沿って平均化された幅などとして画定することができる。
このようにして、長さ方向に沿って任意の所望の位置で、ブッシング導体の全体的な断面積を増大させることができ、それによってまた、弾性変形能力の「方向性」を調整する可能性を提供しながら、それでもなお外部ケーブルの標準化された端子部またはコンタクトアセンブリに接続する可能性を維持することができる。
このようにして、弾性変形能力が存在しない区域において、絶縁本体の内面、たとえば遮蔽シース114と、導体120の外面部分との間のフォームクロージャによって、密な機械的接続を確立することができる。シース114と導体120との間のプレス嵌めまたは形状嵌めに対する追加または別法として、径方向に配向されたボルトなどの形状嵌め要素、またははんだ付けもしくは溶接などの材料嵌めを使用することもできる。他の場合、シース114および導体120は、一体の構成要素として最初に設けることができ、隙間160を機械加工によって形成することができる。上記で論じたように、これらの2つの構成要素の組立て中または組立て後、適切であると考えられる場合、任意選択で弾性充填材料を隙間160に取り込むことができる。したがって、例示的な実施形態では、2つの部分からなる簡単な設計をブッシング100に使用することができ、それによって全体的な製造コストの増大に過度に寄与しないが、それにもかかわらずブッシング導体の接続部に著しい結合解除能力を与えることができる。
100 ブッシング
110 長細い絶縁本体
111 第1の本体端部
112 第2の本体端部
113 本体中央部
114 遮蔽シース
115 絶縁材料
120 ブッシング導体
121 第1の接続部
121F 第1の端面
122 第2の接続部
122F 第2の端面
123 中央部
124 ブッシング導体の孔
125 ブッシング導体全体を通って延びる孔
126 締結部材
130 装着フランジ
140 外部ケーブルまたはコンタクトアセンブリ
141 締結部材、ねじ
150 ハウジング
151 ハウジング内部
152 ハウジング内部導体
160 隙間
Claims (15)
- 第1の本体端部(111)、第2の本体端部(112)、ならびに前記第1の本体端部(111)および前記第2の本体端部(112)を接続する本体中央部(113)を含む長細い絶縁本体(110)と、
前記絶縁本体(110)内を同軸に延びて前記絶縁本体(110)に機械的に結合された長細いブッシング導体(120)とを備え、前記ブッシング導体(120)は、
前記第1の本体端部(111)に位置する第1の端面(121F)を有する第1の接続部(121)と、
前記第2の本体端部(112)に位置する第2の端面(122F)を有する第2の接続部(122)と、
前記第1の接続部(121)および前記第2の接続部(122)を電気的かつ機械的に接続する中央部(123)とを備え、
前記第1の接続部(121)は、少なくとも1つの径方向に沿って前記第1の本体端部(111)に対して弾性変形可能であり、かつ/または前記第2の接続部(122)は、前記少なくとも1つの径方向に沿って前記第2の本体端部(112)に対して弾性変形可能であり、
前記第1の接続部(121)と前記第1の本体端部(111)との間、および/または前記第2の接続部(122)と前記第2の本体端部(112)との間に、隙間(160)が設けられており、
前記隙間(160)は、前記隙間(160)の幅が前記第一の端面(121F)に向かって漸進的に増大する、断面で先細りした形状を有する、
ブッシング(100)。
- 前記隙間(160)は、材料が設けられていない少なくとも1つの領域を含む、請求項1に記載のブッシング。
- 前記隙間(160)は、弾性充填材料および/または圧縮性材料によって少なくとも部分的に充填されている、請求項1又は2に記載のブッシング。
- 前記隙間(160)の幅は、最大5.0mm、ならびに/または前記ブッシング導体(120)の前記第1の接続部(121)および/もしくは前記第2の接続部(122)の長さの最大5%の範囲内である、請求項1から3のいずれか一項に記載のブッシング。
- 前記長細いブッシング導体(120)の一部と前記長細い絶縁本体(110)の一部との間に、フォームクロージャ、材料嵌め、圧力嵌め、または少なくとも1つの機械的締結要素が設けられている、請求項1から4のいずれか一項に記載のブッシング。
- 前記第1の接続部および前記第2の接続部のうちの少なくとも1つは、任意の径方向に沿って弾性変形可能である、請求項1から5のいずれか一項に記載のブッシング。
- 前記少なくとも1つの径方向は、前記ブッシング導体の前記第1の接続部および前記第2の接続部、ならびに/または前記中央部の一部のうちの少なくとも1つの断面の非放射対称形の幾何学的構成によって決定される、請求項1から5のいずれか一項に記載のブッシング。
- 弾性変形可能な前記第1の接続部および前記第2の接続部のうちの少なくとも1つの長さは、15mm〜300mmである、請求項1から7のいずれか一項に記載のブッシング。
- 前記絶縁本体は、前記絶縁本体の内面として設けられた遮蔽シース(114)を備える、請求項1から8のいずれか一項に記載のブッシング。
- 前記遮蔽シース(114)は、前記ブッシング導体の金属とは異なる金属を含む、請求項9に記載のブッシング。
- 前記ブッシングをハウジング(150)に固定するために前記中央部(113)に設けられた装着フランジ(130)をさらに備える、請求項1から10のいずれか一項に記載のブッシング。
- 前記装着フランジ(130)は、前記ブッシング導体(120)および前記絶縁本体(110)が互いに接触する軸方向位置に設けられている、請求項11に記載のブッシング。
- 前記ブッシング導体は、前記ブッシング導体の長さ全体を通って延びる内側孔(125)を有する、請求項1から12のいずれか一項に記載のブッシング。
- 前記第1の端面のサイズは、前記第2の端面のサイズより小さい、請求項1から13のいずれか一項に記載のブッシング。
- 100kW以上の電力を搬送するために、電気駆動車両上で使用されるように構成されている、請求項1から14のいずれか一項に記載のブッシング。
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