JP6955097B2

JP6955097B2 - 大電流接合部

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Publication number: JP6955097B2
Application number: JP2020520660A
Authority: JP
Inventors: ディルマン，アドルフ; ヒューナー，シュテファン; ホルプ，ライナー
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: JP2020537313A; US11121492B2; CN111164837B; DE102017218326A1; CN111164837A; EP3695464A1; WO2019072513A1; US20200395701A1

Description

本発明は、電気的接続を確立するための大電流プラグコネクタに関する。また、本発明は、インバータを電気機械または電気エネルギー貯蔵装置に接続するための大電流プラグコネクタを含む、車両および車両アセンブリに関する。

プラグコネクタは、様々な構成のパワーエレクトロニクスから公知である。その際、ばね接点またはねじ接続部を備えたプラグ接点システムが通常使用される。ここで、特にねじ接続部では、ここでねじ工具のアクセスが必要であることが欠点である。これに対し、プラグ接点は覆い隠して接合できる。ここで、車両技術では、必要な差込力は７５Ｎ未満でなければならない。いわゆるばね接点を使用する際の欠点は、接点に必要なばね特性により、電気および熱伝導率が悪いことである。さらに、接点は通常、点または線の形状で、数ｍｍ^２に制限される。しかし、接触面積が非常に小さいため、電気抵抗および熱抵抗が高く、接点システムが強く加熱されることになる。しかし、これにより電流負荷能力が制限される。これまで、接点システムの限界温度は約１８０°Ｃである。また、独国特許出願公開第１０２０１５２０３５１８号明細書から、２つ以上のクランプジョーを備えたコレットによる電気接続が提案されるプラグコネクタが公知である。

独国特許出願公開第１０２０１５２０３５１８号明細書

ここで、請求項１の特徴を有する本発明にかかる大電流プラグコネクタは、プラグピンをプラグレセプタクルと接続するために非常に低い差込力のみが必要とされるという利点を有する。ここで、本発明によれば、特に接触ゾーンを広げる必要がなく、接触力は非常に短い経路においてのみ有効である。好ましくは、力の消費量はレバーまたはスプラインによって最小化される。さらに、電気的および熱的接触抵抗は非常に少ない。さらに、強い表面圧力による加熱の結果による、接触領域での相対移動を防ぐことができる。これは、本発明によれば、大電流プラグコネクタが、プラグピンおよびプラグレセプタクルのほかに、プラグピンとプラグレセプタクルとの間に配置された接触ケージを有することで達成される。接触ケージは、プラグピンとプラグレセプタクルとの間の電気的接触を提供する。また、別個のばね要素が設けられており、ばね要素は、プラグピンとプラグレセプタクルとの間で、大電流プラグコネクタの軸方向のバイアスをかける。ここで、大電流プラグコネクタの軸方向は、同時に差込方向でもある。したがって、本来のプラグコネクタ外部の別個のばね要素によって軸方向のバイアス力がもたらされるため、プラグ接点システムは、ばね接点などなしで実現できる。また、これにより、接点部品の表面を被覆できる。さらに、本発明にかかる大電流プラグコネクタはまた、直接的な接点部品間の相対移動なしに、高い振動負荷に耐えることができる。ここで、相対移動はμｍの範囲においても防止される。したがって、本発明にかかる大電流プラグコネクタは、特に車両での使用に適している。本発明にかかる大電流プラグコネクタの構造はまた、小さな接合深さのみを必要とするため、低い構造高さを保証する。複数のコネクタも可能であり、冷却のために接触領域のヒートシンクへの単純な熱接続が可能であり、これにより車両での使用がさらに改善される。

ばね要素は本来の接点部品とは別に設けられているため、ばね要素は、もっぱら所望のばね特性に従って設計することができる。従来技術では、これまで使用されてきたばね舌片は、ばね特性に関する設計だけでなく、電流伝達に関する設計も満たす必要があり、そのため、それぞれの要件の最適をそれぞれ達成することができない。これは、本発明によって解決することができる。

従属請求項は、本発明の好ましい展開形態を示す。
好ましくは、接触ケージは、一方ではプラグピンと、他方ではプラグレセプタクルと略半径方向に直接接触する多数の接触舌片を有する。ここで特に好ましくは、各接触舌片は、第１および第２の１８０°屈曲部を有する。これにより、接触ケージは高い安定性を有することができる。

ここで好ましくは、第１および第２の１８０°屈曲部は同じ方向に曲がっており、したがって、３つの平行な領域を有し、らせん状に内側に曲がっている。接触舌片の断面は、好ましくは四角形、特に長方形である。これにより、接触舌片上において、一方ではプラグピンへの、他方ではプラグレセプタクルへの大きな接触線が可能になる。

好ましくは、接触舌片の第１の接触領域は第１の平面にあり、接触舌片の第２の接触領域は第２の平面にあり、第１の平面は第２の平面に対して平行である。
好ましくは、接触舌片は、円筒形スリーブ要素を形成するか、または接触舌片は、円錐形スリーブ要素を形成する。

また、さらに好ましくは、大電流プラグコンタクトは、円筒形の本体と、プラグピンを貫通させるための貫通開口部を備えたカバー領域とを備えた絶縁材料からなるキャップを含む。貫通開口部は、好ましくは心合わせ装置である。これにより、接合工程中にプラグピンを貫通開口部に心合わせすることができるため、接触ケージやプラグレセプタクルに作用する可能性のある横方向の力なしで、安全な接合が可能になる。

安全上の側面から、プラグピンはまた、プラグレセプタクルに向けられた端面に絶縁要素、特に端面全体を覆うヘッド付きの絶縁ピンを含む。
別個のばね要素は、好ましくは、円錐ばね、波形ばね、皿ばね、またはコイルばねである。

本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、大電流プラグコネクタは、プラグピン上に配置された絶縁材料からなるカバー要素をさらに含む。これにより、特に高電圧用途において、容易な接触ガードが可能になる。

大電流プラグコネクタの構造は、好ましくは、ばね要素がプラグレセプタクルに当接する、および／またはばね要素がプラグピンに当接するものである。通常、プラグレセプタクルまたはプラグピンのいずれかにばね力を加えるばね要素を１つのみ設けることで十分であることに留意されたい。ここで、ばね要素は、プラグレセプタクルまたはプラグピンと直接接触することができ、または所望の場合、追加的に例えばばね要素を収容するためのハウジングなどの中間要素を設けることもできる。

さらに好ましくは、大電流プラグコネクタは冷却要素を含む。冷却要素は、特に好ましくは、プラグピンの後側および／またはプラグレセプタクルの後側に配置されている。これにより、大電流プラグコネクタを直接冷却できる。ここで、冷却要素は、用途に存在する冷却回路、例えば、車両の電気モータの冷却回路とすることができ、または冷却体を使用することができる。

プラグピンおよび／またはプラグレセプタクルおよび／またはプラグケージは、さらに好ましくは被覆を有さない。また、代替的に構成要素を被覆することも可能である。被覆は、好ましくは、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｕおよび／またはＰａを含む被覆材料で実施される。

さらに、好ましくは、フレキシブルな接続要素が設けられ、これにより、プラグピンを第１の電線に接続でき、かつ／またはプラグレセプタクルを第２の電線に接続できる。
さらに、本発明は、本発明にかかる大電流プラグコネクタを含む母線プラグコネクタに関する。母線プラグコネクタは、パワーエレクトロニクスを、好ましくは電気機械、特に車両の電気モータに接続する。

また、本発明は、車両の電気モータと電力パワーエレクトロニクスとの間のプラグコネクタのために構成された、本発明にかかる大電流プラグコネクタを含む車両アセンブリに関する。設置スペースが小さいため、本発明にかかる大電流プラグコネクタによって問題なく並列配置の複数のプラグが可能となる。本発明は、そのような車両アセンブリを備えた車両にも関する。

以下に、本発明の好ましい実施例を、添付の図面を参照して詳述する。

本発明の第１の好ましい実施例にかかる大電流プラグコネクタの概略断面図である。プラグコネクタを通る電流の流れを表す図１の大電流プラグコネクタの概略断面図である。図１の大電流プラグコネクタのプラグピンを示す図である。図１の大電流プラグコネクタの接触ケージを示す図である。図４の接触ケージの詳細な接触舌片を示す図である。フレキシブルな接続要素を備えた図１のプラグレセプタクルの斜視図である。プラグピンを心合わせするためのキャップの図である。プラグピンを心合わせするためのキャップの図である。図９ａは、図１にかかる本発明の大電流プラグコネクタの機能原理を示す図である。図９ｂは、図１にかかる本発明の大電流プラグコネクタの機能原理を示す図である。図９ｃは、図１にかかる本発明の大電流プラグコネクタの機能原理を示す図である。図９ｄは、図１にかかる本発明の大電流プラグコネクタの機能原理を示す図である。図９ｅは、図１にかかる本発明の大電流プラグコネクタの機能原理を示す図である。図１の大電流プラグコネクタの使用例を示す図である。本発明の第２の実施例にかかる大電流プラグコネクタを示す図である。本発明の第３の実施例にかかる大電流プラグコネクタを示す図である。

以下に、本発明の第１の好ましい実施例にかかる大電流プラグコネクタ１を、図１から１０を参照して詳述する。
共に差し込まれた状態を示す図１からわかるように、大電流プラグコネクタ１は、プラグピン２と、プラグレセプタクル３と、接触ケージ４とを含む。接触ケージ４は、プラグレセプタクル３の円筒形の主収容空間３０に配置されている。したがって、接触ケージ４は、プラグピン２とプラグレセプタクル３との間に配置されている。接触ケージ４は、円錐形の包絡線を有する。

さらに、大電流プラグコネクタ１は、この実施例では円錐形ばねであるばね要素５を含む。ばね要素５は別個の要素であり、実際のプラグコネクタの外側に配置されている。
プラグピン２は、第１の線１１、例えばバスバーに接続可能であり、プラグレセプタクル３は、第２の線１２に接続可能である。

図１からさらにわかるように、大電流プラグコネクタ１は、プラグレセプタクル３と第２の線１２との間に配置されたフレキシブルな接続要素６をさらに含む。フレキシブルな接続要素６は、第２の線１２が、例えば差込工程中に発生し得る力の作用を受けることを防止する。

さらに、電気絶縁材料からなるキャップ７が設けられている。キャップ７は、プラグレセプタクル３を完全に囲む。キャップ７は、図７および図８に詳細に示され、円筒形の本体７２およびカバー領域における貫通開口部７１を有する。貫通開口部７１は、図１に示されるように、プラグピン２を貫通させるために使用される。ここで、貫通開口部７１は、心合わせ装置として形成され、プラグピン２を心合わせする。ここで、プラグピンの円筒形本体２０は、貫通開口部７１内に当接する。また、キャップ７は、プラグレセプタクル３のためのストッパ７３と、プラグレセプタクル３に接合するためのクリップ接続部７４とをさらに含む。

さらに、大電流プラグコネクタは、接触ガードとしてカバー要素８を備え、カバー要素８はプラグピン２上に配置され、プラグピン２は、カバー要素８を通って案内され、カバー要素８は、大電流プラグコネクタ１を外部の影響から保護する。図１に示すように、カバー要素８の下縁は、キャップ７の外周フランジ７５上に載置されている。カバー要素８は、絶縁ピン１０と共に、電圧誘導部品との接触に対する保護を形成する。

ばね要素５は、ハウジング９内に配置されている。カバー要素１６は、ハウジング９の開放縁部に当接する。
ここで、ばね要素５は、接合工程中および接合状態中の両方、すなわち動作中に利用可能である一定のばね経路を提供する。これにより、大電流プラグコネクタの耐振構成を実現できる。

接触ケージ４は、図４および５から詳細に見ることができる。接触ケージ４は、円筒形のベース本体４３上に配置された多数の接触舌片４０を含む。ここで、接触舌片４０は、円筒形のベース本体４３上で接触ケージ４の軸方向に配置されている。接触舌片は全て同じように形成されている。

図５は接触舌片４０の詳細を示す。接触舌片４０は、第１の１８０°接続部４１および第２の１８０°接続部４２を含む。これにより、図５に示されるように、各接触舌片のらせん状構造が生じる。ここで、各接触舌片は、互いに平行に配置された３つの直線領域４３ａ、４３ｂおよび４３ｃを有する。各接触舌片の胴部４４の長さに応じて、接触ケージ４は最小の弾性特性を有する。図４からわかるように、胴部４４は、接触ケージの軸方向において可能な限り短く実施されている。

図３からわかるように、プラグピン２は、本体２０と円錐領域２１とを有する。本体２０は、第１の線に電気的に接続されている。プラグピン２の端面２２には、絶縁ピン１０を収容するための切欠き部が形成されている。

図１、図２および図５からわかるように、接触ケージ４を介して、プラグピン２とプラグレセプタクル３との間に電気接触が確立される。この際、各接触舌片４０上に、プラグピン２への第１の接触領域１３およびプラグレセプタクル３への第２の接触領域１４が形成されている。ここで、第１および第２の接触領域１３、１４は線状表面接触であり、すなわち、一定の幅を有する線状表面領域が接触領域として設けられている。ここで、図１からわかるように、第１の接触領域１３は第１の平面Ｅ１に位置し、第２の接触領域１４は第２の平面Ｅ２に位置する。２つの平面Ｅ１、Ｅ２は互いに平行であるが、わずかな距離Ａだけ離れている。

図２は、大電流プラグコネクタ１を通る電流の流れを詳細に示し、電流の流れは矢印で示されている。ここで、電流は、第１の線１１からプラグピン２および円錐領域２１を介して接触ケージ４の接触舌片４０に流れる。各接触舌片で、電流は、第１の接点領域１３から第１の１８０°接続部４１を介して第２の接点領域１４に流れ、そこからプラグレセプタクル３に流れる。また、接触舌片４０およびベース本体４３を介して、プラグレセプタクル３の底部領域３１へ追加の電流が流れる。ベース体４３は、底部領域３１上に位置する。

図１からさらにわかるように、プラグピン２の裏側に電気絶縁性かつ熱伝導性のフィルム５０を介して、冷却体１５が冷却要素として配置されている。これにより、大電流プラグコネクタ１の効果的な冷却が可能になる。

大電流プラグコネクタ１は非常にコンパクトな構造を有し、プラグピン２、プラグレセプタクル３、および接触ケージ４の構成により、接触領域を広げる必要がなく、接触力が非常に短い経路でのみ有効であるため、小さな差込力のみが可能となる。大電流プラグコネクタ１の接合工程は、図９ａから９ｅに段階的に示されている。

ここで、図９ａはプラグコネクタが開いた状態を示している。図９ｂは、事前の心合わせが行われている状態を示す。この時、事前の心合わせはキャップ７とカバー要素８との間で行われる。図９ｃは、キャップ７の貫通開口部７１におけるプラグピン２の微細な心合わせを示す。この時、キャップ７とカバー要素８との間の接触はもはやない。図９ｄは、プラグピン２の円錐領域２１が接触ケージ４の接触舌片４０と接触する状態を示す。この時点まで、プラグピン２とプラグレセプタクル３との間の力のかからない接合が可能であった。これにより、図９ａから９ｄに示されるように、力のかからない大きな接合領域Ｂが生じる。続いて、力が加えられた接合領域Ｃが生じ、これは、力のかからない接合領域Ｂに比べて非常に小さい。力が加わる接合領域Ｃは、力のかからない接合領域Ｂの約１／１０から１／５である。図９ｅは、最終状態、すなわち、プラグピン２とプラグレセプタクル３との間の接合状態を示す。図９ａから９ｅにさらに示すように、プラグピンおよびプラグレセプタクルが水平に配列されていない場合でも、接合工程を可能にできる。

したがって、本発明によれば、非常に低い電気的および熱的接触抵抗を実現できる。本発明のさらなる大きな利点は、銅またはアルミニウムなどの高導電性材料を、接触パートナー、すなわち、プラグピン２、プラグレセプタクル３、および接触ケージ４のベース材料として使用できることである。さらに、本発明によれば、プラグピン２、プラグレセプタクル３およびばね舌片４０間の接触領域１３、１４における相対移動が防止される。フレキシブルな接続要素６は、大電流プラグコネクタ１の軸方向Ｘ−Ｘで発生する力を吸収し、ひいてはこの力を接触領域から遠ざける。接触抵抗をさらに改善するために、接触パートナーの表面を被覆することもできる。さらに、本発明にかかる大電流プラグコネクタは、隠して接合することもできる。

大電流プラグコネクタの使用を図１０に示す。図１０は、電気機械１６と母線（バスバー）１８を有する制御装置１７とを概略的に示す。電気機械とバスバー１８との間には、図１に示される大電流プラグコネクタ１が非接続状態で示されている。矢印１９は、大電流プラグコネクタ１の取付方向または差込方向を示す。冷却回路（図示せず）を電気機械１６に設けることができ、これは、大電流プラグコネクタ１に直接隣接して延び、ひいては大電流プラグコネクタ１も冷却することができる。本発明にかかる大電流プラグコネクタ１は、大電流プラグコネクタ１は高振動負荷に耐えられるため、特に車両の電動モータで使用するために投入することができる。プラグピン２の円錐領域２１のくさび効果により、プラグピン２、接触ケージ４、およびプラグレセプタクル３の間で高いクランプ力が達成でき、これにより、μｍ領域での相対移動も防止できる。

図１１は、本発明の第２の実施例にかかる大電流プラグコネクタ１を概略的に示す。同一または機能的に同一の部品には、同じ参照符号が付される。第１の実施例とは異なり、第２の実施例では、大きな接触面積を有する第１および第２の接触領域１３、１４が実現される。これは、円錐形の領域３１がプラグレセプタクル３上に設けられており、それに接触ケージ４の接触舌片４０が当接することにより達成される。ここで、接触舌片４０は、約１６０°の角度αでベース本体４３に対して同様に円錐状に配置されている。したがって、接触舌片４０は、円錐形スリーブ要素を形成する。プラグピンの円錐領域２１、接触舌片４０、およびプラグレセプタクルの円錐領域３１のテーパは、好ましくは同じである。これにより、第１の実施例よりも著しく大きい、大きい第１および第２の接触領域１３、１４を備えた力のかからない電気接続を実現することができる。

さらなる相違点として、ばね要素５は、第２の実施例ではシリンダばねである。ばね要素５は、プラグレセプタクル３の方向にバイアス力Ｆを加える。
図１２は、本発明の第３の実施例にかかる大電流プラグコネクタ１を示す。第３の実施例は、略第１の実施例に対応し、違いは、ばね要素５、冷却体１５およびフレキシブルな接続要素６の配置が逆になっていることである。換言すると、第３の実施例におけるばね要素５は、プラグピン２と直接接触しており、プラグピン２に軸方向Ｘ−Ｘにバイアス力Ｆを加える。冷却体１５は、プラグレセプタクル３上に配置され、フレキシブルな接続要素６は、プラグピン２と第１の線１１との間に配置されている。その他の点は、この実施例は第１の実施例に対応するため、そこで与えられた説明を参照することができる。

Claims

第１の線（１１）および第２の線（１２）の間の電気接続のための大電流プラグコネクタ（１）であって、
− 前記第１の線（１１）に接続可能であるプラグピン（２）と、
− 前記第２の線（１２）に接続可能であるプラグレセプタクル（３）と、
− 前記プラグピン（２）と前記プラグレセプタクル（３）との間に配置され、前記プラグピン（２）と前記プラグレセプタクルとの間の電気接触を確立するために構成された接触ケージ（４）と、
− 前記大電流プラグコネクタの軸方向（Ｘ−Ｘ）へバイアス（Ｆ）をかけるばね要素（５）と
を含む大電流プラグコネクタ（１）において、
前記接触ケージ（４）が、円筒形のベース本体（４３）と、多数の接触舌片（４０）とを有し、前記接触舌片が、前記大電流プラグコネクタ（１）の略半径方向において、前記プラグピン（２）および前記プラグレセプタクル（３）と接触し、
各接触舌片（４０）が、第１の１８０°屈曲部（４１）および第２の１８０°屈曲部（４２）を有する、
大電流プラグコネクタ（１）。
第１の線（１１）および第２の線（１２）の間の電気接続のための大電流プラグコネクタ（１）であって、
− 前記第１の線（１１）に接続可能であるプラグピン（２）と、
− 前記第２の線（１２）に接続可能であるプラグレセプタクル（３）と、
− 前記プラグピン（２）と前記プラグレセプタクル（３）との間に配置され、前記プラグピン（２）と前記プラグレセプタクルとの間の電気接触を確立するために構成された接触ケージ（４）と、
− 前記大電流プラグコネクタの軸方向（Ｘ−Ｘ）へバイアス（Ｆ）をかけるばね要素（５）と
を含む大電流プラグコネクタ（１）において、
前記接触ケージ（４）が、円筒形のベース本体（４３）と、多数の接触舌片（４０）とを有し、前記接触舌片が、前記大電流プラグコネクタ（１）の略半径方向において、前記プラグピン（２）および前記プラグレセプタクル（３）と接触し、
前記接触舌片（４０）の第１の接触領域（１３）が第１の平面（Ｅ１）にあり、前記接触舌片の第２の接触領域（１４）が第２の平面（Ｅ２）にあり、前記第１の平面（Ｅ１）が前記第２の平面（Ｅ２）に対して平行である、
大電流プラグコネクタ（１）。
前記接触舌片（４０）が円筒形スリーブ要素を形成するか、または前記接触舌片（４０）が円錐形スリーブ要素を形成する、請求項１又は２のいずれか一項に記載の大電流プラグコネクタ（１）。
第１の線（１１）および第２の線（１２）の間の電気接続のための大電流プラグコネクタ（１）であって、
− 前記第１の線（１１）に接続可能であるプラグピン（２）と、
− 前記第２の線（１２）に接続可能であるプラグレセプタクル（３）と、
− 前記プラグピン（２）と前記プラグレセプタクル（３）との間に配置され、前記プラグピン（２）と前記プラグレセプタクルとの間の電気接触を確立するために構成された接触ケージ（４）と、
− 前記大電流プラグコネクタの軸方向（Ｘ−Ｘ）へバイアス（Ｆ）をかけるばね要素（５）と
を含む大電流プラグコネクタにおいて、
絶縁フィルム（５０）と共に前記プラグピン（２）および／または前記プラグレセプタクル（３）に配置されている冷却要素（１５）をさらに含む、
大電流プラグコネクタ（１）。
本体（７２）と、前記プラグピン（２）を貫通させるために構成された貫通開口部（７１）を備えたカバー領域とを備えた電気絶縁材料からなるキャップ（７）をさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の大電流プラグコネクタ（１）。
前記貫通開口部（７１）が、前記プラグピン（２）を心合わせするための心合わせ装置である、請求項５に記載の大電流プラグコネクタ（１）。
前記プラグピン（２）が端面（２２）に絶縁要素（１０）を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の大電流プラグコネクタ（１）。
前記ばね要素（５）が、円錐ばね、波形ばね、皿ばね、またはコイルばねである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の大電流プラグコネクタ（１）。
前記プラグピン（２）に配置された電気絶縁材料からなる、接触ガードとして形成されたカバー要素（８）をさらに含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の大電流プラグコネクタ（１）。
前記ばね要素（５）が前記プラグレセプタクルに当接し、および／または前記ばね要素（５）が前記プラグピン（２）に当接する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の大電流プラグコネクタ（１）。
前記プラグピン（２）を前記第１の線（１１）に接続可能であり、および／または前記プラグレセプタクル（３）を前記第２の線（１２）に接続可能である、フレキシブルな接続要素（６）をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の大電流プラグコネクタ（１）。
インバータおよび電気機械または電気エネルギー貯蔵装置間でのプラグ接続のために構成された、請求項１〜１１のいずれか一項にかかる大電流プラグコネクタ（１）を含む車両アセンブリ
車両駆動部としての電気駆動部と、インバータとを含み、請求項１〜１１のいずれか一項にかかる大電流プラグコネクタ（１）が、前記電気機械と前記インバータとの間の電気プラグ接続を提供する車両。