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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Hochstrom-Kontaktpin, eine Hochstrom-Steckbuchse sowie eine Hochstrom-Steckeranordnung mit mindestens einem genannten elektrischen Hochstrom-Kontaktpin, insb. für leistungselektrische Systeme.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
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Leistungselektrische Systeme erfordern für interne und externe leistungselektrische Verbindungen eine stabile Dauerstromtragfestigkeit über 10 Ampere, insb. über 100 Ampere, speziell über 1000 Ampere.
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Dabei besteht die Anforderung, die Hochstrom-Steckverbindungen in einer einfachen Weise herstellen und bei Bedarf wieder trennen zu können.
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Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der die internen und externen leistungselektrischen Verbindungen eines leistungselektrischen Systems in einfacher Weise hergestellt und bei Bedarf ohne großen Aufwand wieder getrennt werden können.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Hochstrom-Kontaktpin (auch Hochstrom-Kontaktstift genannt) bereitgestellt.
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Der Hochstrom-Kontaktpin umfasst:
- - einen starren, elektrisch leitenden Bodenabschnitt, insb. zur Herstellung einer festen körperlichen und elektrischen Verbindung mit einem Schaltungsträger bzw. einer elektrischen Schaltung des Schaltungsträgers oder einer elektrischen Komponente, wie z. B. einem Stromkabel oder einer Stromschiene;
- - mindestens einen starren, elektrisch leitenden Kontaktabschnitt am freiliegenden Ende des Hochstrom-Kontaktpins, insb. zur Herstellung einer trennbaren elektrischen Kontakt-Verbindung zu einer elektrischen Schaltung eines wieteren Schaltungsträgers oder einer weiteren elektrischen Komponente, wie z. B. einem Stromkabel oder einer Stromschiene; sowie
- - mindestens einen elastischen, elektrisch leitenden Mittelabschnitt zwischen dem Bodenabschnitt und dem mindestens einen Kontaktabschnitt.
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Dabei sind der Bodenabschnitt, der mindestens eine Mittelabschnitt und der mindestens eine Kontaktabschnitt in einer Steckrichtung des Hochstrom-Kontaktpins betrachtet hintereinander angeordnet.
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Zudem verbindet der mindestens eine Mittelabschnitt den Bodenabschnitt mit dem mindestens einen Kontaktabschnitt körperlich und elektrisch. Außerdem ist der mindestens eine Mittelabschnitt in einer quer zur Steckrichtung liegenden Querrichtung biegbar ausgeführt und hält somit den mindestens einen Kontaktabschnitt schwenkbar (neigbar) gegenüber dem Bodenabschnitt in der Querrichtung.
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Hierbei bedeuten die Begriffe „starr“ und „elastisch“, dass der starre Boden- bzw. Kontaktabschnitt im Vergleich zu dem elastischen Mittelabschnitt - insb. in der genannten Querrichtung - mechanisch wesentlich steifer und fester ausgeführt ist. Umgekehrt ist der Mittelabschnitt gegenüber dem starren Boden- bzw. Kontaktabschnitt - insb. in der genannten Querrichtung - wesentlich biegsamer bzw. nachgiebiger ausgeführt. Dadurch biegt der Mittelabschnitt unter einer Krafteinwirkung in der Querrichtung an dem Boden- bzw. Kontaktabschnitt, während der Boden- und der Kontaktabschnitt noch deren ursprüngliche Formen aufrechthalten.
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Mit anderen Worten ist die Elastizität des Mittelabschnitts (wesentlich) größer als die Elastizität des Kontakt- bzw. des Bodenabschnitts. Dabei bezieht sich die genannte Elastizität auf eine Querbiegung der jeweiligen Abschnitte im Bezug auf die Längs- bzw. Erstreckungsrichtung des Kontaktpins. Die unterschiedliche Elastizität ergibt sich aus dem Aufbau und/oder den Materialeigenschaften der jeweiligen Abschnitte.
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Der elastische Mittelabschnitt kompensiert durch die elastische Biegung in der quer zur Steckrichtung liegenden Querrichtung Fertigungstoleranzen zwischen leistungselektrischen Komponenten, welche mittels des oben beschriebenen Hochstrom-Kontaktpin miteinander elektrisch verbunden werden sollen.
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Ferner wird durch die elastische Biegung des elastischen Mittelabschnitts der Kontaktabschnitt mit dessen Gegenkontakt, bspw. einem weiteren Hochstrom-Kontaktpin, über möglichst große ausgedehnte Kontaktfläche kontaktiert. Dadurch wird der Kontaktübergangswiderstand von dem Hochstrom-Kontaktpin zu dem Gegenkontakt reduziert. Im elektrischen verbundenen Zustand weist die großflächige Kontaktierung somit eine geringe Eigenerwärmung. Dies ermöglicht der elektrischen Verbindung eine hohe Dauerstromtragfestigkeit von 10 Ampere, insb. über 100 Ampere, speziell über 1000 Ampere.
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Darüber hinaus ist der Hochstrom-Kontaktpin in Abhängigkeit von durch zuleitenden Stromhöhen, Spannungsfestigkeit, Anzahl der herzustellenden leistungselektrischen Verbindungen aber auch bezüglich Vibrations- und Temperaturfestigkeit skalierbar.
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Durch die Federung des elastischen Mittelabschnitts kompensiert der Hochstrom-Kontaktpin auch thermische Ausdehnungen des Hochstrom-Kontaktpins. Damit hält der Hochstrom-Kontaktpin auch in einer Umgebung mit einer Temperatur von -40°C bis mindestens 140°C (bzw. einer Temperaturschwankung zwischen -40°C und mindestens 140°C) und einer mechanischen Vibration von über 20g (g-Kraft bzw. Kraft pro Masse) die elektrische Verbindung aufrecht.
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Damit weist eine leistungselektrische Verbindung mit dem Hochstrom-Kontaktpin eine hohe temperatur- und Vibrationsfestigkeit auf.
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Die Elastizität des Mittelabschnitts ermöglicht zudem ein mehrfaches Verbinden und Trennen der leistungselektrischen Verbindung mit dem Hochstrom-Kontaktpin über eine hohe Lebenszeit (>10 „Verbindungszyklen“).
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Darüber hinaus erfordert der Hochstrom-Kontaktpin dank der Elastizität des Mittelabschnitts eine vergleichsweise geringe Aufsteck- bzw. Abziehkräfte beim Verbinden und Trennen der leistungselektrischen Verbindung mit dem Hochstrom-Kontaktpin.
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Dadurch kann die leistungselektrische Verbindung in einem Montage- und Servicefall einfach und schnell hergestellt und wieder getrennt werden. Dies ist insb. vorteilhaft gegenüber einer elektrischen Schraubverbindung.
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Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der die internen und externen leistungselektrischen Verbindungen eines leistungselektrischen Systems in einfacher Weise hergestellt und bei Bedarf ohne großen Aufwand wieder getrennt werden können.
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Der Hochstrom-Kontaktpin ist insbesondere I-förmig ausgebildet.
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Der Hochstrom-Kontaktpin umfasst beispielsweise ferner eine Anzahl von elastischen Streifen (bzw. Bänden) aus einem elektrisch gut leitenden Material, insb. aus einem elektrisch gut leitenden Metall, wie z. B. Silber, Kupfer oder Aluminium, oder einer elektrisch gut leitenden Metalllegierung, wie z. B. einer Silber-, Kupfer- oder Aluminiumlegierung(bspw. Bronze), wobei die Streifen übereinander gestapelt sind und zumindest den mindestens einen Mittelabschnitt ausbilden.
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Beispielsweise sind die übereinander gestapelten Streifen an ausgewählten Bereichen, insb. an jeweiligen Endbereichen, miteinander laminiert, verpresst oder verschweißt, wobei die laminierten, verpressten oder verschweißten Bereiche den mindestens einen Kontaktabschnitt und/oder den Bodenabschnitt ausbilden. Die nicht laminierten, verpressten oder verschweißten Bereiche der übereinander gestapelten Streifen bilden beispielsweise den mindestens einen Mittelabschnitt aus.
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Beispielsweise sind die Streifen mittels eines Klebers miteinander an den ausgewählten Bereichen laminiert, welcher elektrisch gut leitend ist. Beispielsweise enthält der Kleber thermisch härtende Klebstoffe auf Epoxidharzbasis oder UV-härtende Klebstoffe auf Acrylatbasis, welche jeweils mit metallischen Füllstoffen, wie z. B. Silber, angereichert sind.
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Alternativ umfasst der Hochstrom-Kontaktpin beispielsweise ein Geflecht aus einem elektrisch gut leitenden Material, insb. aus einem elektrisch gut leitenden Metall, wie z. B. Silber, Kupfer oder Aluminium, oder einer elektrisch gut leitenden Metalllegierung, wie z. B. einer Silber-, Kupfer- oder Aluminiumlegierung (bspw. Bronze), wobei das Geflecht zumindest den mindestens einen Mittelabschnitt ausbilden.
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Beispielsweise ist das Geflecht an ausgewählten Bereichen, insb. an jeweiligen Endbereichen, miteinander laminiert, verpresst oder verschweißt, wobei die laminierten, verpressten oder verschweißten Bereiche den mindestens einen Kontaktabschnitt und/oder den Bodenabschnitt ausbilden. Die nicht laminierten, verpressten oder verschweißten Bereiche des Geflechts bilden beispielsweise den mindestens einen Mittelabschnitt aus.
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Beispielsweise sind der Bodenabschnitt, der mindestens eine Mittelabschnitt und der mindestens eine Kontaktabschnitt einstückig ausgebildet. Alternativ sind der Bodenabschnitt, der mindestens eine Mittelabschnitt und der mindestens eine Kontaktabschnitt miteinander stoffschlüssig verbunden.
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Beispielsweise ist der Hochstrom-Kontaktpin ferner U-förmig ausgebildet und umfasst ferner mindestens zwei elastische, elektrisch leitende Mittelabschnitte und mindestens zwei starre, elektrisch leitende Kontaktabschnitte. Dabei verbinden jeweils einer der mindestens zwei Mittelabschnitte jeweils einen der mindestens zwei Kontaktabschnitte mit dem Bodenabschnitt körperlich und elektrisch. Ferner sind die mindestens zwei Mittelabschnitte in der Querrichtung biegbar ausgeführt und halten somit die jeweiligen der mindestens zwei Kontaktabschnitte gegenüber dem Bodenabschnitt in der Querrichtung schwenkbar. Zudem erstrecken sich die mindestens zwei Kontaktabschnitte in der Steckrichtung des Hochstrom-Kontaktpins.
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Beispielsweise erstrecken sich die mindestens zwei Kontaktabschnitte zueinander parallel.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Hochstrom-Steckerbuchse bereitgestellt.
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Die Hochstrom-Steckerbuchse umfasst mindestens einen zuvor beschriebenen Hochstrom-Kontaktpin und ein Buchsengehäuse zum Schutz des mindestens einen Hochstrom-Kontaktpins vor Berührung, welches der Hochstrom-Steckerbuchse mechanische Festigkeit verleiht. Das Buchsengehäuse ist in der Steckrichtung des mindestens einen Hochstrom-Kontaktpins hin offen und umfasst eine elektrisch isolierende Wandung, welche den mindestens einen Hochstrom-Kontaktpin zumindest teilweise radial umrandet (bzw. umschließt) und somit diesen räumlich und elektrisch isoliert.
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Die Hochstrom-Steckerbuchse umfasst beispielsweise ferner ein Verriegelungselement, welches zwischen einer verriegelnden Position und einer entriegelnden Position bewegbar (verschiebbar oder verformbar, insb. verschraubbar) ausgeführt ist. In der verriegelnden Position drückt das Verriegelungselement einen ersten der mindestens zwei Kontaktabschnitte des mindestens einen Hochstrom-Kontaktpins in der Querrichtung zu einem zweiten der mindestens zwei Kontaktabschnitte desselben Hochstrom-Kontaktpins. Durch die Druckkraft des Verriegelungselements biegt sich der mit dem ersten Kontaktabschnitt unmittelbar körperlich verbundene Mittelabschnitt des mindestens einen Hochstrom-Kontaktpins in der Querrichtung zu dem mit dem zweiten Kontaktabschnitt unmittelbar körperlich verbundenen Mittelabschnitt desselben Hochstrom-Kontaktpins. Dadurch wird der Abstand zwischen den beiden Kontaktabschnitten kleiner und diese halten einen zwischen diesen eingesteckten (insb. I-förmigen) Hochstrom-Kontaktpin in der Mitte fest.
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Beispielsweise ist das Verriegelungselement in Form einer Verriegelungsschraube ausgebildet, welche in einer Schraubenbohrung an der Wandung der Hochstrom-Steckerbuchse angeordnet ist. Die axiale Schraubrichtung der Verriegelungsschraube verläuft senkrecht zu Kontaktflächen der beiden Kontaktabschnitte. In der verriegelnden Position ist die Verriegelungsschraube in der Querrichtung zu dem ersten Kontaktabschnitt eingeschraubt, so dass diese den ersten Kontaktabschnitt in der Querrichtung zu dem zweiten Kontaktabschnitt drückt. Die Druckkraft der Verriegelungsschraube erzeugt einen Kraftschluss zwischen den beiden Kontaktabschnitten und dem zwischen den beiden Kontaktabschnitten eingesteckten Hochstrom-Kontaktpin, wodurch der Hochstrom-Kontaktpin zwischen den beiden Kontaktabschnitten festgehalten wird. Durch diesen Kraftschluss entsteht auch eine niederohmige elektrische Verbindung von dem Hochstrom-Kontaktpin zu den beiden Kontaktabschnitten und somit zu der Hochstrom-Steckerbuchse. Zum Lösen dieses Kraftschlusses wird die Verriegelungsschraube einfach abgeschraubt.
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Die Hochstrom-Steckerbuchse umfasst beispielsweise ferner ein Federelement, welches in der Querrichtung angeordnet ist und eingerichtet ist, einen der mindestens zwei Kontaktabschnitte in der Querrichtung zu dem anderen der mindestens zwei Kontaktabschnitte federnd zu drücken.
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Beispielsweise ist das Federelement an einer vom Verriegelungselement abgewandten Seite des (zuvor genannten) zweiten Kontaktabschnitt des mindestens einen Hochstrom-Kontaktpins angeordnet ist und eingerichtet ist, den zweiten Kontaktabschnitt in der Querrichtung zu dem (zuvor genannten) ersten Kontaktabschnitt desselben Hochstrom-Kontaktpins bzw. zu dem Verriegelungselement federnd zu drücken.
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Alternativ kann das Federelement auf einer dem Verriegelungselement zugewandten Seite des ersten der mindestens zwei Kontaktabschnitte angeordnet und eingerichtet sein, den ersten der mindestens zwei Kontaktabschnitte in der Querrichtung (QR) zu dem zweiten der mindestens zwei Kontaktabschnitte federnd zu drücken.
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Alternativ kann das Federelement auch auf der Seite des Verriegelungselementes bzw. zwischen dem Verriegelungselement und dem ersten Kontaktabschnitt des Hochstrom-Kontaktpins angeordnet sein.
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Sind zwei oder mehr Hochstrom-Kontaktpins vorgesehen, welche in einer Wirkrichtung des Verriegelungselements (im Falle einer Verriegelungsschraube deren Schraubrichtung) betrachtet hintereinander angeordnet sind, so kann das Federelement zwischen den Hochstrom-Kontaktpins angeordnet sein. Es können auch zwei oder mehre Federelemente vorgesehen sein, welche dann verteilt jeweils zwischen zwei der Hochstrom-Kontaktpins angeordnet werden können.
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Beispielsweise ist das Federelement als eine Schraubenfeder oder eine Blattfeder ausgebildet und zwischen einem vom Verriegelungselement abgewandten Abschnitt der Wandung und dem (genannten) zweiten Kontaktabschnitt angeordnet und drückt den zweiten Kontaktabschnitt von dem genannten Abschnitt der Wandung weg in der Querrichtung zu dem (genannten) ersten Kontaktabschnitt bzw. zu dem Verriegelungselement federnd.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Hochstrom-Steckeranordnung bereitgestellt.
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Die Hochstrom-Steckeranordnung umfasst mindestens einen ersten zuvor beschriebenen Hochstrom-Kontaktpin und mindestens eine zuvor beschriebene Hochstrom-Steckerbuchse mit mindestens einem zweiten Hochstrom-Kontaktpin.
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Dabei ist der mindestens eine erste Hochstrom-Kontaktpin in der Steckrichtung in die mindestens eine Hochstrom-Steckerbuchse eingesteckt und mit dem mindestens einen zweiten Hochstrom-Kontaktpin der mindestens einen Hochstrom-Steckerbuchse körperlich und elektrisch leitend verbunden.
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Dank dem zuvor beschriebenen Verriegelungselement kann leistungselektrische Verbindungen mit der oben genannten Hochstrom-Steckeranordnung mit einer ausreichenden mechanischen Kraft verriegelt (durch Bringen in die verriegelnde Position) werden, wodurch eine hohe mechanische Vibrationsfestigkeit bei einem gleichzeitig geringen Übergangswiderstand und somit einer hohen Dauerstromfestigkeit erreicht werden kann.
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Durch einfaches Entriegeln des Verriegelungselements (durch Bringen in die entriegelnde Position) können die leistungselektrischen Verbindungen der Hochstrom-Steckeranordnung bei Bedarf einfach getrennt werden, ohne dabei hohe Abziehkräfte zum Abziehen des Hochstrom-Kontaktpins eingesetzt werden zu müssen.
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Der oben beschriebene Hochstrom-Kontaktpin, die oben beschriebene Hochstrom-Steckerbuchse und die oben genannte Hochstrom-Steckeranordnung können im Automobilbereich zur Herstellung von bei Bedarf trennbaren elektrischen Hochstromverbindungen verwendet werden.
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Beispielweise können Hochstromanschlüsse von leistungselektrischen Komponenten eines elektrischen Antriebs eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, wie z. B. DC-Anschlüsse bei Energiespeichern und Invertern, AC-Anschlüsse zwischen den Invertern und einer elektrischen Maschine, mit dem oben beschriebenen Hochstrom-Kontaktpin, der oben beschriebenen Hochstrom-Steckerbuchse bzw. der oben genannten Hochstrom-Steckeranordnung realisiert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Hochstrom-Kontaktpins sind, soweit im Übrigen auf die oben beschriebene Hochstrom-Steckerbuchse bzw. die oben genannte Hochstrom-Steckeranordnung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Hochstrom-Steckerbuchse bzw. der Hochstrom-Steckeranordnung anzusehen.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 in einer schematischen Seitenschnittdarstellung einen Hochstrom-Kontaktpin gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 in einer weiteren Seitensichtdarstellung eine Hochstrom-Steckerbuchse gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 3 in einer weiteren Seitensichtdarstellung eine Hochstrom-Steckeranordnung mit einem in 1 dargestellten Hochstrom-Kontaktpin und einer in 2 dargestellten Hochstrom-Steckerbuchse.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung:
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1 zeigt in einer schematischen Seitenschnittdarstellung eine erste Leistungselektronikkomponente LK1 eines leistungselektrischen Systems, bspw. eines Inverters eines Hybridelektrofahrzeugs, mit einem Hochstrom-Stecker ST, welcher wiederum drei Hochstrom-Kontaktpins KP1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.
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Die erste Leistungselektronikkomponente LK1 umfasst einen ersten leitungselektrischen Schaltungsträger ST1, auf dem drei erste Hochstrom-Kontaktpins KP1 angeordnet und mit einer leistungselektrischen Schaltung auf dem ersten Schaltungsträger ST1 elektrisch verbunden sind. Dabei ragen die drei Hochstrom-Kontaktpins KP1 zur Herstellung externer Hochstromverbindung aus dem ersten Schaltungsträger ST1 in ihrer Steckrichtung SR1 heraus, welche bspw. senkrecht zur Oberfläche des ersten Schaltungsträgers ST1 liegt.
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Die erste Leistungselektronikkomponente LK1 umfasst ferner eine erste Abdeckung AB1 zum Schutz des ersten Schaltungsträgers ST1 sowie der drei ersten Hochstrom-Kontaktpins KP1 vor Umwelteinflüssen, wie z. B. mechanischen Beschädigungen. Dabei ist die erste Abdeckung AB1 bspw. ein Teil eines Gehäuses der ersten Leistungselektronikkomponente LK1.
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Die erste Abdeckung AB1 weist im Bereich der drei Hochstrom-Kontaktpins KP1 eine erste Aussparung AS1 auf, durch welche die drei Hochstrom-Kontaktpins KP1 aus dem ersten Schaltungsträger ST1 herausragen. An der Kante zur ersten Aussparung AS1 weist die erste Abdeckung AB1 einen ersten Vorsprung VS1 auf, der in der Steckrichtung SR1 über den restlichen Bereich der ersten Abdeckung AB1 herausragen und die drei ersten Hochstrom-Kontaktpins KP1 umrandet. Der erste Vorsprung VS1 dient zur räumlichen und elektrischen Isolation der drei ersten Hochstrom-Kontaktpins KP1 und somit als ein Steckergehäuse des Hochstrom-Steckers ST.
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Die drei ersten Hochstrom-Kontaktpins KP1 sind I-förmig ausgebildet und umfassen jeweils einen starren, elektrisch leitenden Bodenabschnitt BA1, jeweils einen ebenfalls starren, elektrisch leitenden Kontaktabschnitt KA1 an einem von dem Bodenabschnitt BA1 abgewandten freiliegenden Ende des Hochstrom-Kontaktpins KP1, sowie jeweils einen elastischen, elektrisch leitenden Mittelabschnitt MA1 zwischen dem jeweiligen Bodenabschnitt BA1 und dem jeweiligen korrespondierenden Kontaktabschnitt KA1.
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In der Steckrichtung SR1 betrachtet sind der Bodenabschnitt BA1, der Mittelabschnitt MA1 und der Kontaktabschnitt KA1 der jeweiligen ersten Hochstrom-Kontaktpins KP1 hintereinander angeordnet.
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Über die jeweiligen Bodenabschnitte BA1 sind die drei ersten Hochstrom-Kontaktpins KP1 mit dem ersten Schaltungsträger ST1 körperlich und mit der leistungselektrischen Schaltung auf dem ersten Schaltungsträger ST1 elektrisch verbunden.
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Der Mittelabschnitt MA1 jedes einzelnen Hochstrom-Kontaktpins KP1 ist in einer quer zur Steckrichtung SR1 liegenden Querrichtung QR1 biegbar ausgeführt und mit dem jeweiligen Kontaktabschnitt KA1 und dem jeweiligen Bodenabschnitt BA1 einstückig ausgebildet.
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Wie in einer schematischen Abschnittdarstellung eines Abschnitts AA eines der ersten Hochstrom-Kontaktpins KP1 detailliert veranschaulicht ist, besteht der erste Hochstrom-Kontaktpin KP1 aus einer elektrisch gut leitenden Kupferlegierung. Dabei umfasst der Hochstrom-Kontaktpin KP1 eine Anzahl von elastischen Kupferstreifen (Kupferbänden) KS aus der Kupferlegierung, welche übereinander gestapelt sind und an jeweiligen beiden Endbereichen miteinander laminiert sind.
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Die beiden laminierten Endbereiche der jeweiligen Kupferstreifen bilden jeweils den starren Bodenabschnitt BA1 und den starren Kontaktabschnitt KA1 der jeweiligen Hochstrom-Kontaktpins KP1 aus (die miteinander laminierten Abschnitte der Kupferstreifen KS sind mit gestrichelten Linien veranschaulicht). Die nicht miteinander laminierten Mittelbereiche der jeweiligen Kupferstreifen bilden den elastischen Mittelabschnitt MA1 der jeweiligen Hochstrom-Kontaktpins KP1 aus (die nicht miteinander laminierten Abschnitte der Kupferstreifen KS sind mit durchgehenden Linien veranschaulicht).
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Zum Laminieren der Kupferstreifen KS wird bspw. ein thermisch härtender Klebstoff auf Epoxidharzbasis verwendet, welcher mit Silber angereichert ist.
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Dadurch, dass die Mittelbereiche der jeweiligen Kupferstreifen KS nicht miteinander laminiert sind, bleiben diese einzelnen Mittelbereiche elastisch und hindern auch die benachbarten Mittelbereiche bei ihren elastischen Verformungen nicht.
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Bei den miteinander laminierten Endbereichen der Kupferstreifen KS bilden die jeweiligen Endbereiche der einzelnen Bleichstreifen dagegen zusammen jeweils eine voneinander nicht-bewegliche, steife und feste Einheit, nämlich den Bodenabschnitt BA1 und den Kontaktabschnitt KA1 aus.
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In der Querrichtung QR1 betrachtet sind die drei ersten Hochstrom-Kontaktpin KP1 in einer Reihe hintereinander angeordnet.
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2 zeigt in einer weiteren schematischen Seitenschnittdarstellung eine zweite Leistungselektronikkomponente LK2 des leistungselektrischen Systems mit einer Hochstrom-Steckerbuchse SB gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Die zweite Leistungselektronikkomponente LK2 umfasst einen zweiten leitungselektrischen Schaltungsträger ST2, auf dem drei zweite Hochstrom-Kontaktpins KP2 angeordnet und mit der leistungselektrischen Schaltung auf dem Schaltungsträger ST2 elektrisch verbunden sind. Dabei ragen die drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 zur Herstellung externer Hochstromverbindung in einer Gegensteckrichtung SR2 dieser Hochstrom-Kontaktpins KP2 heraus, welche bspw. senkrecht zur Oberfläche des zweiten Schaltungsträgers ST2 liegt.
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Die zweite Leistungselektronikkomponente LK2 umfasst ferner eine zweite Abdeckung AB2 zum Schutz des zweiten Schaltungsträgers ST2 sowie der drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 vor Umwelteinflüssen, wie z. B. mechanischen Beschädigungen. Dabei ist die zweite Abdeckung AB2 bspw. ein Teil eines Gehäuses der zweiten Leistungselektronikkomponente LK2.
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Ähnlich der ersten Abdeckung AB1 weist die zweite Abdeckung AB2 im Bereich der drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 eine zweite Aussparung AS2 auf, durch welche die drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 aus dem zweiten Schaltungsträger ST2 herausragen. An der Kante zur zweiten Aussparung AS2 weist die zweite Abdeckung AB2 einen zweiten Vorsprung VS2 auf, der in der Gegensteckrichtung SR2 über den restlichen Bereich der zweiten Abdeckung AB2 herausragen und die drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 umrandet. Der zweite Vorsprung VS2 dient zur räumlichen und elektrischen Isolation der drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 und somit als Buchsengehäuse der Hochstrom-Steckerbuchse SB.
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Der zweite Vorsprung VS2 bildet eine Außenwandung AW aus, welche die drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 umschließt und vor mechanischen Beschädigungen schützt.
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Die zweite Leistungselektronikkomponente LK2 umfasst ferner eine Innenwandung IW, welche zwischen der Außenwandung AW und den drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 und konzentrisch zur Außenwandung AW angeordnet ist. Die Innenwandung IW besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. einer elektrisch isolierenden Keramik oder einem elektrisch isolierenden Kunststoff, und dient als Teil eines Isolators zur elektrischen Isolierung der drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2.
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Der zweite Vorsprung VS2 samt der Außenwandung AW, die Innenwandung IW und die drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 bilden gemeinsam die Hochstrom-Steckerbuchse SB aus. Dabei bilden der zweite Vorsprung VS2 samt der Außenwandung AW und die Innenwandung IW gemeinsam das genannte Buchsengehäuse für die Hochstrom-Steckerbuchse SB aus und schützen die drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 vor Berührung und vor mechanischer Beschädigung.
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Die drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 sind U-förmig ausgebildet und umfassen jeweils einen starren, elektrisch leitenden Bodenabschnitt BA2, jeweils zwei elastischen, elektrisch leitenden Mittelabschnitte MA1, MA2, sowie jeweils zwei starren, elektrisch leitenden Kontaktabschnitte KA1, KA2.
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Die zwei Mittelabschnitte MA1, MA2 sind jeweils an einem Ende des Bodenabschnitts BA2 körperlich verbunden und erstrecken sich zueinander parallel und in der Gegensteckrichtung SR2.
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Die zwei Kontaktabschnitte KA1, KA2 sind jeweils an einem freiliegenden Ende der jeweiligen Mittelabschnitte MA1, MA2 körperlich verbunden und erstrecken sich ebenfalls zueinander parallel und in der Gegensteckrichtung SR2.
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Über die jeweiligen Bodenabschnitte BA2 sind die drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 mit dem zweiten Schaltungsträger ST2 körperlich und mit der leistungselektrischen Schaltung auf dem zweiten Schaltungsträger ST2 elektrisch verbunden.
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Die Mittelabschnitte MA1, MA2 der Hochstrom-Kontaktpins KP2 sind in der quer zur Gegensteckrichtung SR2 liegenden Querrichtung QR2 biegbar ausgeführt und mit den jeweiligen angrenzenden Kontaktabschnitten KA1, KA2 und dem jeweiligen Bodenabschnitt BA2 einstückig ausgebildet.
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Dabei bestehen die drei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 wie die ersten Hochstrom-Kontaktpins KP1 aus der elektrisch gut leitenden Kupferlegierung. Dabei umfassen die zweiten Hochstrom-Kontaktpin KP2 ebenfalls jeweils eine Anzahl von elastischen Kupferstreifen aus der Kupferlegierung, welche übereinander gestapelt und an den jeweiligen flachen Seiten U-förmig gebogen sind. An den jeweiligen beiden Endbereichen und an den jeweiligen Mittelbereichen sind die Kupferstreifen miteinander laminiert.
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Der Kleber, mit dem die Kupferstreifen miteinander laminiert sind, enthält beispielsweise thermisch härtende Klebstoffe auf Epoxidharzbasis, welche mit Silber angereichert sind.
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Die laminierten Endbereiche der Kupferstreifen bilden jeweils einen der beiden starren Kontaktabschnitte KA1, KA2 jedes einzelnen zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 aus. Die ebenfalls laminierten Mittelbereiche der Kupferstreifen bilden den starren Bodenabschnitt BA1 des zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 aus. Die nicht miteinander laminierten Bereiche zwischen den jeweiligen Mittelbereichen und den jeweiligen Endbereichen der Kupferstreifen bilden dann jeweils einen der beiden elastischen Mittelabschnitte MA1, MA2 der jeweiligen zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 aus.
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Bei den nicht laminierten Mittelbereichen bleiben Abschnitte der einzelnen Kupferstreifen elastisch und hindern auch die nicht laminierten Abschnitte der benachbarten Kupferstreifen bei ihren elastischen Verformungen nicht.
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Bei den miteinander laminierten Bereichen bilden die miteinander laminierten Abschnitte der einzelnen Bleichstreifen dagegen jeweils eine voneinander nicht-bewegliche starre Einheit, welche jeweils den starren Bodenabschnitt BA1 bzw. die beiden starren Kontaktabschnitte KA1, KA2 ausbilden.
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In der Querrichtung QR2 betrachtet sind die drei zweiten Hochstrom-Kontaktpin KP2 in einer Reihe hintereinander angeordnet, wobei die beiden Kontaktabschnitte KA1, KA2 der jeweiligen Hochstrom-Kontaktpin KP2 in der Querrichtung QR2 zueinander zugewandt hintereinander liegen.
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Die Außenwandung AW ist an einer quer zur Querrichtung QR2 liegenden Seite mit einer größeren Wanddicke verstärkt und weist eine in der Querrichtung QR2 verlaufende Bohrung BR auf. Die Bohrung BR ist mit einem Gewinde versehen.
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Die Innenwandung IW weist an einer mit der verstärkten Seite der Außenwandung AW korrespondierenden Seite ebenfalls eine Bohrung auf, welche mit der Bohrung BR an der Außenwandung AW fluchtend ausgebildet ist und ebenfalls mit einem Gewinde versehen ist, dessen Profil dem des Gewindes in der Bohrung BR an der Außenwandung AW entspricht und in dieses Gewinde fluchtend übergeht.
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Dabei verläuft die gemeinsame Achse der beiden Bohrungen BR parallel zur Querrichtung QR2. In der Gegensteckrichtung SR2 betrachtet befinden sich die beiden Bohrungen BR auf der Höhe der Kontaktabschnitte KA1, KA2.
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Die zweite Leistungselektronikkomponente LK2 umfasst ferner vier streifenförmige Isolierelemente IE, welche in der Querrichtung QR2 betrachtet zwischen je zwei Hochstrom-Kontaktpins KP2 bzw. zwischen den beiden Bohrungen BR und dem den beiden Bohrungen BR am nächst liegenden Hochstrom-Kontaktpin KP2 sowie zwischen dem von den Bohrungen BR am entferntesten liegenden Hochstrom-Kontaktpin KP2 und der von den Bohrungen BR abgewandten Seite der Innenwandung IW angeordnet sind und die drei Hochstrom-Kontaktpins KP2 voneinander und von den Bohrungen BR sowie der Innenwandung IW räumlich isolieren.
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Die Isolierelemente IE bestehen aus einem elastischen, elektrisch isolierenden Material, wie z. B. einer elastischen, elektrisch isolierenden Kunststoff, und bilden mit der Innenwandung IW den genannten Isolator zur elektrischen Isolierung der zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2. Idealerweise sind die Isolierelemente IE miteinander und mit der Innenwandung IW einstückig ausgebildet.
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Außerdem sind die Isolierelemente IE bzw. deren zwischen bzw. neben den Hochstrom-Kontaktpins KP2 befindlichen freien Endbereiche in der Querrichtung QR2 elastisch biegbar ausgeführt.
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Die zweite Leistungselektronikkomponente LK2 umfasst ferner ein Verriegelungselement VE und ein Federelement FE.
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Das Verriegelungselement VE ist als eine Verriegelungsschraube ausgebildet, welche in den Bohrungen BR an der Außen- und Innenwandung AW, IW eingeschraubt ist und zwischen einer verriegelnden Position und einer entriegelnden Position verschraubbar ausgeführt ist.
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In der verriegelnden Position drückt die Verriegelungsschraube VE eines der Isolierelemente IE bzw. dessen freiliegenden Endbereich, das zwischen den Bohrungen BR und dem der Verriegelungsschraube VE am nächst liegenden Hochstrom-Kontaktpin KP2 bzw. dessen ersten Kontaktabschnitt KA1 befindet, in der Querrichtung QR2 zu diesem ersten Kontaktabschnitt KA1. In die verriegelnde Position wird die Verriegelungsschraube VE durch Verschrauben in die beiden Bohrungen BR gebracht.
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Das Federelement FE ist in diesem Beispiel als eine Schraubenfeder ausgebildet und ist zwischen der Innenwandung IW und dem von der Verriegelungsschraube VE am entferntest liegenden Hochstrom-Kontaktpin KP2 bzw. einem Isolierelement IE, welches sich auf einer von der Verriegelungsschraube VE abgewandten Seite des von der Verriegelungsschraube VE am entferntest liegenden Hochstrom-Kontaktpins KP2 befindet, und (in der Gegensteckrichtung SR2 betrachtet) auf der Höhe der Kontaktabschnitte KA1, KA2 angeordnet. Die Federachse der Schraubenfeder FE verläuft parallel zur Querrichtung QR2 und überlappt sich mit der Schraubenachse der Verriegelungsschraube VE.
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Es können auch weitere Federelemente vorgesehen sein, welche verteilt jeweils zwischen einem der Kontaktabschnitte KA1, KA2 der jeweiligen Hochstrom-Kontaktpins KP2 und dem jeweiligen an diesem Kontaktabschnitt KA1 bzw. KA2 angrenzenden Isolierelement IE angeordnet werden können.
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An einer in der Gegensteckrichtung SR2 zugewandten Stirnseite des zweiten Vorsprungs VS2 weist die zweite Leistungselektronikkomponente LK2 ferner eine Dichtung IR auf, welche bspw. als ein Isolier-Ring, insb. ein O-Ring, ausgebildet ist und zur fluiddichten Isolierung der Steckverbindung zwischen dem Hochstrom-Stecker ST und der Hochstrom-Steckbuchse SB dient.
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3 zeigt in einer weiteren schematischen Seitenschnittdarstellung den in 1 dargestellten Hochstrom-Stecker ST und die in 2 dargestellte Hochstrom-Steckbuchse SB in einem zusammengesteckten Zustand, durch den die leistungselektrischen Verbindungen EV zwischen der ersten und der zweiten Leistungselektronikkomponente LK1, LK2 hergestellt werden.
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In diesem zusammengesteckten Zustand sind die Kontaktabschnitte KA1 der jeweiligen ersten, I-förmigen Hochstrom-Kontaktpins KP1 des Hochstrom-Steckers ST in Zwischenräume zwischen den beiden Kontaktabschnitten KA1, KA2 der jeweiligen korrespondierenden zweiten, U-förmigen Hochstrom-Kontaktpins KP2 der Hochstrom-Steckbuchse SB eingeführt.
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Die Verriegelungsschraube VE ist in die verriegelnde Position eingeschraubt. Dabei drückt die Verriegelungsschraube VE das nächstliegende Isolierelement IE in der Querrichtung QR2 zu dem einen Kontaktabschnitt KA1 des nächstliegenden, zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2. Durch die Einwirkung der Druckkraft verbiegt sich der korrespondierende Mittelabschnitt MA1 desselben zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 elastisch. Dadurch drückt der eine Kontaktabschnitt KA1 mit einer Kontaktandruckkraft den Kontaktabschnitt KA1 des ersten Hochstrom-Kontaktpins KP1, der sich zwischen den beiden Kontaktabschnitten KA1, KA2 des entsprechenden zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 befindet. Durch die Einwirkung der Kontaktandruckkraft verbiegt sich der korrespondierende Mittelabschnitt MA1 desselben ersten Hochstrom-Kontaktpins KP1 ebenfalls elastisch. Dadurch drückt der Kontaktabschnitt KA1 des ersten Hochstrom-Kontaktpins KP1 mit einer entsprechenden Kontaktandruckkraft den zweiten Kontaktabschnitt KA2 des zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2. Durch die elastische Verbiegung des korrespondierenden Mittelabschnitts MA2 desselben zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 drückt dessen Kontaktabschnitt KA2 das nächstliegende Isolierelement IE. Auf gleicher Weise werden die Kontaktabschnitte KA1, KA2 der weiteren ersten und zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 mit entsprechenden Kontaktandruckkräften gedrückt.
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Durch die Kontaktandruckkräfte zwischen den sich berührenden Kontaktabschnitten KA1, KA2 der ersten und der zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 entstehen zwischen diesen flächig ausgedehnte Kontaktfläche mit einem niedrigen Übergangswiderstand für die leistungselektrischen Verbindungen EV zwischen den ersten und den zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2.
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Damit werden die leistungselektrischen Verbindungen EV zwischen den ersten und den zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 über eine einzige Verriegelungsschraube VE hergestellt, wobei die Kontaktandruckkräfte zwischen den Kontaktabschnitten KA1, KA2 der ersten und zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 durch Ein-/Ausschrauben der einzigen Verriegelungsschraube VE reguliert bzw. auf ein erforderliches Maß angehoben (bzw. konstant gehalten) und bei Bedarf wieder reduziert werden können.
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Durch die elastische Verformung der Mittelabschnitte MA1, MA2 der ersten und der zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 passen sich die Winkel, in welchen sich die Kontaktabschnitte KA1, KA2 der ersten und der zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 zueinander liegen, bis auf 0° an. Dadurch entstehen zwischen den sich berührenden Kontaktabschnitten KA1, KA2 der ersten und der zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 flächig ausgedehnte Kontaktflächen zwischen den Kontaktabschnitten KA1, KA2 mit niedrigen Übergangswiderständen. Dadurch werden niederohmige leistungselektrische Verbindungen EV mit einer hohen Stromtragfähigkeit von über 10 Ampere, insb. über 100 Ampere, speziell gar über 1000 Ampere, hergestellt.
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Die Druckkraft der Verriegelungsschraube VE in der verriegelnden Position erzeugt somit einen Kraftschluss zwischen den ersten und den zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2, wodurch diese miteinander körperlich fest verbunden sind.
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Die Schraubenfeder FE drückt in einer der Querrichtung QR2 entgegengesetzten Richtung gegen das nächstliegende Isolierelement IE und stellt somit die Kontaktandruckkräfte zwischen den ersten und den zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 (bzw. zwischen deren Kontaktflächen) aufrecht.
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Durch ihre Federkraft definiert die Schraubenfeder FE ferner die maximale Kontaktandruckkraft zwischen den Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 bzw. die maximale Druckkraft der Verriegelungsschraube VE. Damit kompensiert die Schraubenfeder FE evtl. zu hohe Druckkraft der Verriegelungsschraube VE. Zudem kompensiert die Schraubenfeder FE durch ihre Federung Schwankungen in der Druckkraft der Verriegelungsschraube VE infolge plastischer Verformungen oder thermischer Ausdehnungen bei den beiden Leistungselektronikkomponenten LK1, LK2 und halten somit die Kontaktandruckkräfte konstant.
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Die Schraubenfeder kann auch anstelle der Verriegelungsschraube eingesetzt werden, wobei in diesem Fall die Kontaktabdruckkräfte zwischen den Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 von Federkräften der beiden Schraubenfeder erzeugt werden, welche von beiden Seiten auf die Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 einwirken.
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Die Außenwandung AW ist dabei ausreichend stabil ausgeführt, so dass diese Gegenkräfte standhalten kann, welche infolge der Druckkraft der Verriegelungsschraube VE von der Verriegelungsschraube VE und der Schraubenfeder FE auf die Außenwandung AW einwirken.
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Die ersten und die zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 können als oberflächenmontierbare Bauelemente (SMD) in einfacher Weise und kostengünstig direkt auf den jeweiligen Schaltungsträgern ST1, ST2 gelötet werden.
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Zur weiteren Reduzierung der Übergangswiderstände können die Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 breiter ausgeführt werden, wodurch die Querschnitte und auch die Kontaktflächen dieser Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 entsprechend vergrößert werden können.
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Die Anzahl der ersten und der zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 an dem Hochstrom-Stecker ST bzw. der Hochstrom-Steckbuchse SB kann je nach Bedarf variieren. Auch sind Ausführungsformen mit zwei oder mehreren parallelen Reihen von den ersten und den zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP1 in den jeweiligen Querrichtungen QR1, QR2 möglich.
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Es sind auch W- bzw. doppel-U-förmige Hochstrom-Kontaktpins denkbar, welche jeweils einen starren Bodenabschnitt, jeweils drei sich von dem Bodenabschnitt in der Steckrichtung dieser Hochstrom-Kontaktpins erstreckenden elastischen Mittelabschnitte, sowie jeweils drei sich aus den jeweiligen freiliegenden Enden der korrespondierenden Mittelabschnitte in der Steckrichtung erstreckende starre Kontaktabschnitte aufweisen. Ein derartiger doppel-U-förmige Hochstrom-Kontaktpin weist dann mit vier Kontaktflächen doppelt so viele Kontaktflächen wie bei einem U-förmigen Hochstrom-Kontaktpin, wodurch Übergangswiderstand des Hochstrom-Kontaktpins weiter reduziert wird.
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Analog sind auch mehrfach-U- bzw. mehrfach-W-förmige Hochstrom-Kontaktpins denkbar. Dabei können die W- bzw. doppel-U-förmigen und die mehrfach-U- bzw. mehrfach-W-förmigen Hochstrom-Kontaktpins sowohl in dem Hochstrom-Stecker ST als auch in der Hochstrom-Steckbuchse SB angeordnet werden. Derartige Hochstrom-Kontaktpins weisen mehrere zueinander redundante Kontaktflächen auf, wodurch eine noch zuverlässige und niederohmige elektrische Verbindung zwischen dem Hochstrom-Stecker ST und der Hochstrom-Steckbuchse SB hergestellt werden kann.
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Die elektrische Isolation zwischen diesen drei leistungselektrischen Verbindungen und zwischen diesen leistungselektrischen Verbindungen und der Umgebung erfolgt durch die zwischen je zwei zweiten Hochstrom-Kontaktpins KP2 befindlichen Isolierelemente IE sowie die Innenwandung IW.
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Die räumliche Isolierung der leistungselektrischen Verbindungen EV von der Umgebung erfolgt durch den zuvor beschriebenen ersten Vorsprung VS1 an der ersten Abdeckung AB1 und den zweiten Vorsprung VS2 an der zweiten Abdeckung AB2. Der Isolier-Ring IR an dem zweiten Vorsprung VS2 isoliert die leistungselektrischen Verbindungen EV zusätzlich fluiddicht und schützt die Hochstrom-Kontaktpins KP1, KP2 vor Umwelteinflüssen, wie z. B. Wasser, Staub, Öl, usw..
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In einer weiteren Ausführungsform können die beiden Vorsprünge an der ersten und der zweiten Abdeckung aus einem elektrisch leitenden Material ausgeführt werden. In diesem Fall schirmen die beiden Vorsprünge die leistungselektrischen Verbindungen elektrisch und magnetisch ab (EMV Abschirmung).
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Ferner ist eine Abdeckkappe AD für die Verriegelungsschraube VE vorgesehen, welche auf der Verriegelungsschraube VE aufgesetzt wird und dabei die Verriegelungsschraube VE vor Umwelteinflüssen, wie z. B. Korrosion, schützt.