KR20190101911A

KR20190101911A - 고전류 인가용 컨택트 어셈블리

Info

Publication number: KR20190101911A
Application number: KR1020190021465A
Authority: KR
Inventors: 다우스 알렉산더; 브라우흘레 게르드; 그룬드마이어 라모나
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2019-09-02
Also published as: KR102660358B1; CN110190426A; EP3531510B1; JP2019145504A; CN110190426B; CN209658445U; US20190267731A1; US10707599B2; EP3531510A1

Abstract

고전류 인가용 컨택트 어셈블리는, 전기 회로 기판(3); 길이 방향으로 돌출하는 비가요성 도체 로드(1)로서, 회로 기판(3)과 전기 디바이스 사이에 30 암페어 초과, 특히 50 암페어 초과의 전류를 전송하는, 비가요성 도체 로드(1); 및 회로 기판(3)에 고정되는 수용 부재(2)를 포함하고; 수용 부재(2)는 도체 로드(1)를 보유하며 도체 로드(1)와 회로 기판(3) 사이에 전류를 전송하고; 수용 부재(2)는 복수의 탄성 변형 가능한 설부(5)를 포함하며?, 설부(5)는 도체 로드(1) 주위에 원주 방향으로 배치되고 기계적 지지뿐만 아니라 도체 로드(1)와 수용 부재(2) 사이에 전기적 접촉을 제공한다.

Description

고전류 인가용 컨택트 어셈블리{CONTACT ASSEMBLY FOR HIGH-CURRENT APPLICATIONS}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 고전류 인가용 컨택트 어셈블리에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 제15항에 따른 연소 기관용 차저(charger)에 관한 것이다.

미국특허 제6,700,464 B2호는 회로 기판에 동축 케이블을 접속하기 위한 컨택트를 기술하고 있다. 이러한 디바이스는 고전류 인가에 적합하지 않다.

연소 기관용 전동 터보차저(electrically driven turbo-charger) 분야에서는 Wurth Elektronik GmbH에 의해 제공되는 유형의 컨택트를 사용하는 것이 알려져 있다. 이들 컨택트는 중실(solid)의 정사각형 블록을 포함하며, 복수의 각부가 블록으로부터 돌출하고, 각부는 회로 기판에 프레스핏(press-fit)된다. 전기 모터에 전류를 전달하기 위한 도체 로드가 정사각형 블록의 개구 내에 고정하여 수용된다.

본 발명의 목적은, 저비용이지만 회로 기판과 도체 로드 사이에 신뢰성 있는 접속을 가능하게 하는 고전류 인가용 컨택트 어셈블리를 제공하는 것이다.

서두에서 언급한 컨택트 어셈블리의 경우, 이 목적은 청구항 제1항의 특징부의 특징에 의해 본 발명에 따라 달성된다.

컨택트 로드를 복수의 탄성 변형 가능한 설부(elastically deformable tongue)와 함께 보유하고 전기적으로 접촉시킴으로써, 충분한 총 접촉 면적의 명확한 접촉이 확립된다.

본 발명의 의미에서의 고전류 인가는, 전형적인 동작 모드에서 수용 부재를 통해 그리고 설부를 통해 도체 로드 내로 흐르는 30 A 초과, 바람직하게는 50 A 초과의 전류를 갖는 것을 의미한다. 특히, 컨택트 어셈블리는 이러한 고전류가 적어도 수 시간의 영구 동작 중에 흐를 수 있게 설계된다.

고전류는 바람직하게는 10 V 초과, 가장 바람직하게는 30 V 초과의 전위차 하에서 동작된다. 전형적인 용도는 연소 구동, 전동 또는 하이브리드 구동을 포함하는 현대의 차량 분야이다. 이러한 차량은 표준 12 V 네트보다 높은 전압에 기초한 전력 네트를 사용한다. 본 발명의 컨택트 어셈블리의 하나의 바람직한 용도는 48 V 차량 전력 네트와 조합된다.

컨택트 어셈블리를 통해 회로 기판으로부터 전기 디바이스로 전송되는 전력은 바람직하게는 300 와트(Watt) 초과의 연속 전력, 보다 바람직하게는 1 kW 초과의 연속 전력, 가장 바람직하게는 3 kW 초과의 연속 전력이다.

일반적으로 바람직하게는, 수용 부재는 일체품으로서 설계된다. 특히, 수용 부재는, 회로 기판에 대한 수용 부재의 고정과 도체 로드에 대한 설부의 전기 접촉 사이에 임의의 중간 투피스(two-piece) 설계 또는 표면 접촉이 결여되어 있다.

도체 로드 주위에 보유력 및 접촉 면적을 균일하게 분포시키기 위해서, 탄성 변형 가능한 설부의 수는 바람직하게는 적어도 3개, 보다 바람직하게는 적어도 6개이다.

본 발명의 일반적으로 유리한 실시형태에서, 수용 부재는, 바람직하게는 표면 실장 디바이스(SMD)의 형태로 납땜에 의해 회로 기판의 도전로에 접속된다. 특히, SMD 기반 회로 기판에 대한 제공된 표준이 충족될 수 있다. 또 다른 이점으로서, 수용 부재는 자동화된 제조에 의해 회로 기판에 적용될 수 있다.

수용 부재의 특별한 저비용 생산을 달성하기 위해서, 수용 부재는 판금 부품으로서 형성될 수 있고, 바람직하게는 판금의 두께는 1 mm 미만, 보다 바람직하게는 0.6 mm 미만이다. 원래의 판금은 절단, 펀칭, 구부림, 코팅, 열 어닐링 등과 같은 임의의 기지의 수단에 의해 수용 부재에 추가로 가공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태의 경우, 수용 부재는 도체 로드의 길이 방향 주위에 원주 방향으로 구부러진 베이스 링, 베이스 링의 일 측면으로부터 돌출하는 복수의 설부, 및 바람직하게는 베이스 링의 반대 측면으로부터 돌출하는 복수의 접촉 탭을 포함하고, 접촉 탭은 회로 기판에 고정식으로 접속된다. 이러한 설계는, 예를 들어 금속의 시트로부터 수용 부재를 제조함에 있어서 간단한 해결책을 제공한다. 접촉 탭이 베이스 링에 대해 설부와는 반대 방향을 향하고 있는 경우, 보다 많은 수의 설부 및 컨택트 패드가 제공될 수 있다.

고전류의 효율적인 전달을 제공하기 위해서, 바람직하게는 도체 로드는 기본적으로 일정한 단면을 가지며, 단면은 8 mm² 초과, 특히 18 mm² 초과의 전기 전도성 크기를 갖는다. 가장 바람직게는, 단면은 원형이다. 전형적으로 바람직한 도체 로드는 고전류에 대한 요구에 따른 직경을 갖는 중실의 실린더일 것이다. 18 mm²의 전도성 단면의 경우, 원통형 도체 로드는 약 4.8 mm의 직경(또는 8 mm² 단면의 경우 3.2 mm 직경)을 가질 것이다. 보다 큰 직경은 또한 보다 많은 수의 설부 및/또는 설부당 보다 큰 컨택트 면적 때문에 수용 부재에 의해 보다 양호한 접촉을 가능하게 한다.

일반적인 목적으로서, 수용 부재에 의해 야기되는 회로 기판과 도체 로드 사이의 저항은 0.001 옴(Ohm) 미만, 보다 바람직하게는 0.0005 옴 미만이다.

조립 시 및 동작 중에, 예를 들어 열팽창 동안 공차(tolerance)를 허용하기 위해서, 바람직하게는 도체 로드는 탄성적으로 로딩된 설부에 의해 보유되고 접촉되면서 공차의 간격 주위에 길이 방향을 따라 연속적으로 이동할 수 있다. 이 목적을 위해, 컨택트 로드는 바람직하게는 설부의 접촉 영역에서 각주 형상(또는 일정한 단면 형상)를 갖는다. 다른 실시형태에서, 도체 로드는 또한 접촉 면적을 향상시키기 위해 설부에 대한 지지 홈과 같은 특수한 형태를 가질 수 있다.

충분한 기계적 지지뿐만 아니라 확실한 전기 접촉을 확인하기 위해서, 탄성적으로 로딩된 설부 각각은 도체 로드로부터 거리를 두고 위치되는 제1 단부, 및 도체 로드에 당접하는 제2 단부를 포함할 수 있다. 일반적으로 바람직하게는, 설부는 각 설부에 대해 1 뉴턴(Newton) 초과의 힘으로 도체 로드의 원주면에 대해 로딩되고 및/또는 탄성적으로 가압되는 스프링이다.

대체 실시형태에서, 설부의 제2 단부는 또한 제2 베이스 링에 의해 접속될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 설부는 만곡된 방식으로 구부러져서, 설부의 중간 부분이 도체 로드와 스프링 로딩 접촉하고, 수용 부재의 최소 내경이 2개의 베이스 링 사이의 중간 정도에 배치된다.

본 발명의 특히 바람직한 실시형태의 경우, 회로 기판은 개구부를 포함하고, 수용 부재는 개구부에 배치되며, 도체 로드는 개구부를 통해 돌출한다. 보다 더 바람직하게는, 설부는 회로 기판의 제1 측면 상에서 도체 로드를 보유하고, 수용 부재는 반대 측면 상에서 회로 기판에 고정된다. 전체적으로, 이들 특징은 어셈블리의 높이를 감소하게 할 수 있다.

산화에 덜 민감한 최적화된 전기 접촉를 제공하기 위해서, 적어도 설부, 또는 도체 로드, 가장 바람직하게는 설부 및 도체 로드 둘 다는 적어도 은으로 이루어진 표면을 갖는다. 은은 당 기술분야에 기지의 임의의 적절한 방식으로 도체 로드 및/또는 수용 부재 상에 코팅될 수 있다.

전력 손실 및/또는 국소 가열을 최소로 억제하기 위해, 적어도 수용 부재의 코어는 바람직하게는 구리계 합금, 보다 바람직하게는 IACS(International Annealed Copper Standard)의 적어도 70%의 전도율을 갖는 구리계 합금으로부터 제조된다.

장시간의 작동 시간 후에도 긴 수명과 안전한 기계 및 전기 접촉에 대하여, 합금은 열 응력 완화에 최적화되어 있으며, 80% 초과, 특히 85% 초과의 잔류 응력이 9.0의 라슨 밀러 파라미터(Larson-Miller-parameter)로 달성된다. 라슨 밀러 파라미터는 P = (20 + log(t))* T+273)*0.001로서 정의되고; t는 시(hour) 단위의 시간이고, T는 ℃ 단위의 온도이다. 예를 들어, P = 9는 118℃에서 1000 h의 완화 시간(동작 시간)과 상당한하다.

일반적으로 바람직하게는, 전기 디바이스는 특히 연소 기관용 차저를 구동하기 위한 전기 모터이다. 이러한 용도는 열 및 진동 안정성에 대한 높은 요구를 갖는다.

본 발명의 목적은 또한 전기 모터에 의해 구동되는 압축 장치를 포함하는 연소 기관용 차저에 의해 달성되며, 여기서 전기 모터는 본 발명에 따른 컨택트 어셈블리에 의해 전원에 접속된다. 차저는 특히 터보차저일 수 있다. 최근 몇 년 동안, 특히 자동차 및 다른 차량의 연소 기관용 전기구동 터보차저의 적용이 점차 중요해지고 있다. 본 발명의 컨택트 어셈블리는 동력 전달뿐만 아니라 열 및 기계적 노출의 관점에서 이 적용을 위해 특별히 최적화되어 있다.

본 발명의 다른 이점 및 특징은 이하게 기재하는 본 발명의 실시형태뿐만 아니라 종속 청구항에 기재되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태가 이하에서 기술되며, 첨부된 도면에 의해 더 설명된다.

도 1은 종래 기술의 컨택트 어셈블리의 평면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 컨택트 어셈블리의 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 2의 어셈블리의 수용 부재의 공간도를 나타낸다.
도 4는 도 2의 수용 부재를 단면도로 나타낸다.

도 1에서와 같은 종래 기술의 장치는 중실의 정사각형 블록(2')의 개구 내에 고정식으로 수용되는 도체 로드(1')를 나타내고, 복수의 각부(2a')가 블록으로부터 돌출하고 있다. 각부(2a')는 회로 기판(미도시)에 프레스핏되도록 설계되어, 프레스핏에 의해 기계적 및 전기적 접촉을 제공한다.

도 2는 도체 로드(1), 수용 부재(2) 및 회로 기판(3)을 포함하는 본 발명에 따른 컨택트 어셈블리를 나타내고 있다.

도체 로드(1)는 각주 형상, 본 경우에는 중실의 실린더 형상의 적어도 하나의 단부를 갖는다. 도체 로드, 또는 적어도 그 단부는 길이 방향(L)으로 돌출한다. 따라서, 도체 로드(1)의 단면은 중실의 원이다. 일례에서, 도체 로드의 직경은 6 mm이고, 따라서 전기 전도성 단면의 크기는 약 28 mm²이다.

수용 부재(2)는 도체 로드(1)의 외경보다 큰 내경을 갖는 베이스 링(4)을 포함하는 튤립(tulip) 또는 바스킷(도 3 및 도 4 참조)의 형태를 갖는다.

복수의 모두 8개의 설부(5)가 베이스 링(4)을 따라 등간격으로 배치된다. 설부(5)는 베이스 링의 직경 때문에 베이스 링(4)으로부터 제1 단부(6)을 기점으로 하고, 제1 단부(6)는 도체 로드(1)까지 반경 방향의 거리를 두고 배치된다. 설부(5)의 크랭크상의 제2 단부(7)가 도체 로드(1)의 측벽에 당접하도록, 설부(5)는 수용 부재(2)의 중심 축에 대해 경사지게 구부러진다. 중심 축(L)에 대한 경사진 구부림 때문에, 설부(5)는 도체 로드(1)와 당접하면서 기계적으로 프리로딩된다. 각각의 설부(5)는 적어도 1 뉴턴, 예를 들어 약 2 뉴턴의 탄성력으로 도체 로드(1)를 가압한다.

설부(5)에 의해 보유되고 있는 동안, 도체 로드(1)는 적어도 거의 공차 간격으로 그의 길이 방향(L)으로 여전히 이동될 수 있다.

베이스 링(4)의 다른 반대 측면 상에는, 복수의 접촉 탭(8)이 돌출하여 90°의 각도로 구부려져서, 접촉 탭(8)의 납땜면이 회로 기판의 도전로와 당접된다. 접촉 탭(8)은 수용 부재(2)를 표면 실장 디바이스(SMD)로서 회로 기판에 접속하는 표면 실장 방식으로 도전로에 납땜된다.

수용 부재(2)의 조립 공정을 향상시키기 위해서, 보조 탭(9)이 베이스 링으로부터 돌출하고 회로 기판(3) 내의 대응하는 리세스와 상호 작용하여, 납땜의 단계가 완료되기 전에 미리 조립된 수용 부재(2)의 규정된 위치 및 배향을 제공한다.

수용 부재(2)는 일체품 아이템으로서 형성된다. 예를 들어, 그것은 단일의 판금 부품으로서 형성될 수 있고, 여기서 판금의 재료는 0.4 mm의 두께를 가지며, 0.5% Cr, 0.2% Ag, 0.06% Ti 및 0.03% Si의 작은 첨가량을 갖는 구리계 합금인 것으로 선택된다. 이 합금은 IACS의 79%의 전도율을 갖는다. 그의 열 완화는 최적화되며, 9.0의 라슨 밀러 파라미터의 경우에 약 90%의 잔류 응력을 나타낸다. 수용 부재(2)가 중심 축(L) 주위에 판금 부품으로부터 구부러질 때, 베이스 링(4)은 폐쇄되지 않고 갭(4a)이 남는다(도 3 참조).

전기 접촉을 향상시키고 산화에 대해 더 양호한 보호를 얻기 위해서, 수용 부재(2) 및 도체 로드(1)는 은으로 표면 코팅될 수 있다.

수용 부재(2)는, 회로 기판(3)의 개구(10)에 배치되도록 회로 기판(3)에 장착된다. 베이스 링(4)은, 설부(5)가 회로 기판의 일 측면 상에 돌출하고 접촉 탭(8)이 회로 기판의 반대 측면에 납땜되는 개구부(10) 내에 주로 위치된다. 이 배치에 의해, 컨택트 어셈블리의 전체 높이가 감소된다. 도체 로드(1)는 회로 기판(3)의 개구(10)를 통해 돌출하고, 회로 기판(3)의 측면 상의 도체 로드(1)의 단부는 설부(5)의 제2 단부(7)에 근접한다.

도체 로드의 대향 단부는 도체 로드(1)에 의해 급전되는 전기 디바이스(미도시)와 접속된다. 도체 로드(1)의 길이 방향(L)은 회로 기판(3)의 평면에 적어도 거의 수직으로 배치된다.

본 경우에, 전기 디바이스는 연소 기관의 전동 터보차저의 모터이다. 회로 기판(3)으로부터 수용 부재(2)를 통해 그리고 도체 로드(1)를 통해 전기 모터에 전달되는 전류는 전형적인 영구 동작 모드에서의 48 V에서 약 100 A이다. 따라서, 전술한 컨택트 어셈블리에 의해 거의 5 kW의 전력이 전달된다.

1'도체 로드(종래 기술)
2'정사각형 블록(종래 기술)
2a'정사각형 블록의 각부(종래 기술)
1도체 로드
2수용 부재
3회로 기판
4베이스 링
4a베이스 링(4)의 갭
5설부
6설부의 제1 단부
7설부의 제2 단부
8접촉 탭
9보조 탭
10회로 기판 내의 개구부
L도체 로드의 길이 방향, 수용 부재의 중심 축

Claims

고전류 인가용 컨택트 어셈블리로서,
전기 회로 기판(3);
길이 방향으로 돌출하는 비가요성 도체 로드(1)로서, 상기 회로 기판(3)과 전기 디바이스 사이에 30 암페어(Ampere) 초과, 특히 50 암페어 초과의 전류를 전송하는, 상기 비가요성 도체 로드(1); 및
상기 회로 기판(3)에 고정되는 수용 부재(2);를 포함하고;
상기 수용 부재(2)는 상기 도체 로드(1)를 보유하고 상기 도체 로드(1)와 상기 회로 기판(3) 사이에 상기 전류를 전송하며;
상기 수용 부재(2)는 복수의 탄성 변형 가능한 설부(5)를 포함하고, 상기 설부(5)는 상기 도체 로드(1) 주위에 원주 방향으로 배치되고 기계적 지지뿐만 아니라 상기 도체 로드(1)와 상기 수용 부재(2) 사이에 전기 접촉을 제공하는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 수용 부재(2)는 일체품으로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수용 부재(2)는, 특히 표면 실장 디바이스(SMD)의 형태로, 납땜에 의해 상기 회로 기판(3)의 도전로에 접속되는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수용 부재(2)는 판금 부품으로서 형성되고, 특히 상기 판금의 두께는 1 mm 미만, 더욱 특히 0.6 mm 미만인 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수용 부재(2)는 상기 도체 로드(1)의 길이 방향(L) 주위에 원주 방향으로 구부러진 베이스 링(4), 상기 베이스 링(4)의 일 측면으로부터 돌출하는 복수의 설부(tongue)(5), 및 특히 상기 베이스 링(4)의 반대 측면으로부터 돌출하는 복수의 접촉 탭(8)을 포함하고, 상기 접촉 탭(8)은 상기 회로 기판(3)에 고정식으로 접속되는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도체 로드(1)는 특히 원형의 기본적으로 일정한 단면을 가지며, 상기 단면은 8 mm² 초과, 특히 18 mm² 초과의 전기 전도성 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도체 로드(1)는, 탄성적으로 로딩된 설부(5)에 의해 보유되고 접촉되면서 공차의 간격 주위에 길이 방향(L)을 따라 연속적으로 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성적으로 로딩된 설부(5)의 각각은 상기 도체 로드(1)로부터 거리를 두고 위치되는 제1 단부(6), 및 상기 도체 로드(1)와 당접하는 제2 단부(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회로 기판(3)은 개구부(10)를 포함하고, 상기 수용 부재(2)는 상기 개구부(10)에 배치되며, 상기 도체 로드(1)는 상기 개구부(10)를 통해 돌출하는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제9항에 있어서, 상기 설부(5)는 상기 회로 기판(3)의 제1 측면 상에서 상기 도체 로드(1)를 보유하고, 상기 수용 부재(2)는 반대 측면 상에서 상기 회로(3)에 고정되는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 설부(5), 또는 상기 도체 로드(1), 특히 상기 설부(5) 및 상기 도체 로드(1) 둘 다는 적어도 은으로 이루어진 표면을 갖는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 수용 부재(2)의 코어는 구리계 합금, 특히 IACS(International Annealed Copper Standard)의 적어도 70%의 전도율을 갖는 구리계 합금으로부터 제조되는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제12항에 있어서, 상기 합금은 열 응력 완화를 위해 최적화되고, 80% 초과, 특히 85% 초과의 잔류 응력이 9.0의 라슨 밀러 파라미터(Larson-Miller-parameter)로 달성되는 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 디바이스는 특히 연소 기관용 차저를 구동하기 위한 전기 모터인 것을 특징으로 하는, 컨택트 어셈블리.
연소 기관용 차저로서, 전기 모터에 의해 구동되는 압축 디바이스를 포함하고, 상기 전기 모터는 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 컨택트 어셈블리에 의해 전원에 접속되는 것을 특징으로 하는, 연소 기관용 차저.