Die Erfindung entspringt aus dem Gebiet der elektrischen Steckkontakte, insbesondere der Steckkontakte für Komponenten der Leistungselektronik gemäß Anspruch 1.
Die Offenlegungsschrift
Die
Häufig kommt es beim Anschluss von elektrischen Geräten, z.B. durch Bedienpersonal oder Wartungspersonal, nicht nur wegen Überspannungen oder Fehlerströmen zu Betriebsstörungen, sondern auch weil häufig betätigte Steckverbindungen noch unter Betriebsspannung abgezogen werden. Dieses Problem wird durch die o.g. Offenbarung nicht gelöst. Eine Steckverbindung auf Leiterkarten wird außerdem weniger häufig betätigt als eine lösbar mittels Stecker und Buchse ausgeführte Verbindung, weil eine Leiterkarte i.d.R. in einem Gehäuse untergebracht ist und nur bei Reparaturarbeiten entfernt wird. Auch eine gruppierte Anordnung von Kontakten oder vorauseilende Schutzleiter haben auf die genannte Problemstellung keinen Lösungseffekt.
Es hat sich im Feld bei Kunden der Anmelderin gezeigt, dass bei sehr langen Kabelverbindungen, z.B. in Fertigungshallen, ein Abschalten der Spannungsversorgung vor der Manipulation an den angeschlossenen Geräten beispielsweise für Wartungszwecke zwar möglich ist, aber aufgrund der oftmals langen Wege auch sehr zeitaufwendig sein kann und daher häufig unterbleibt. Ein Lösen der Steckverbindungen unter Spannung ohne geeignete Sicherheitsvorkehrungen kann aber zu undefinierten Unterbrechungen und Zuständen an empfindlichen Signaleingängen führen, die im ungünstigsten Falle sogar eine Zerstörung oder Schädigung der angeschlossenen Elektronik herbeiführen können. In Laborversuchen der Anmelderin wurde herausgefunden, dass die elektronischen Komponente besonders empfindlich reagieren, wenn beim Abziehen eines Steckers zuerst die Spannungsversorgung und danach die übrigen Verbindungen unterbrochen werden. Dies kann z.B. immer dann vorkommen, wenn auf die Steckverbindung eine laterale Krafteinwirkung erfolgt und alle Steckkontakte gleiche Längen aufweisen. Durch diese Scherwirkung werden zunächst einige Kontakte gelöst während auf andere Kontakte ein Druck ausgeübt wird. Undefinierte Potentiale und floatende Spannungspegel können die Folge sein.
Ferner sei auf die
Die Aufgabe der Erfindung ist es, derartigen Beschädigungen von elektrischen Geräten vorzubeugen und ein sicheres Aufstecken bzw. Abziehen von Kupplungsteilen zu gewährleisten. Zusätzlich soll die signalverarbeitende Peripherie zuverlässig und möglichst störungsfrei von den Signal- und Versorgungsleitungen abgetrennt werden.
Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass ein Stecker so ausgebildet ist, dass jedes Kupplungsteil einen in seinem Gehäuse angeordneten Isolierkörper mit einer inneren Komponente als Kontaktträger und einer äußeren Komponente als Kontaktträgeraufnehmer aufweist und jeder Isolierkörper eine Vielzahl von stromführenden Kontaktelementen entweder als Kontaktbuchsen oder als Kontaktstifte für die Energie- und Signalübertragung umfasst, wobei die Kontaktelemente zur Energieübertragung gegenüber den Kontaktelementen zur Signalübertragung mechanisch in axialer Richtung vorauseilend an den einander zugewandten, kontaktseitigen, Stirnflächen der Kupplungsteile angeordnet sind, die äußeren Komponenten der Isolierkörper wenigstens eine Steckkodierung als gegenseitige Führung mit korrekter Winkelzuordnung der Kupplungsteile zueinander beim Ineinandergreifen der äußeren Isolierkörperkomponenten umfassen, die inneren Komponenten der Isolierkörper zur Aufnahme von Kontaktelementen dienen und die äußeren Komponenten die inneren Komponenten in radialer Richtung konzentrisch auf ganzer Länge und einschließlich der kontaktseitigen Stirnseiten umschließen, wobei die kontaktseitigen Stirnseiten der äußeren Komponenten Öffnungen als Durchlass für die Kontaktstifte aufweisen, die äußeren Komponenten und die inneren Komponenten mittels einer koaxial angeordneten, innenliegenden Montagekodiering zur Montage beider Komponenten, formschlüssig und axial ineinander greifen.
Die voreilenden Kontakte für die Spannungsversorgung sorgen automatisch dafür, dass vor Abschaltung der Spannung zunächst die Signalleitungen getrennt werden, weil diese gegenüber den Kontakten für die Spannungsversorgung nacheilend ausgebildet sind.
Die mechanische Führung beider Isolierkörper bewirkt zudem, dass es nur möglich ist den Stecker in axialer Richtung aus der Buchse zu ziehen, so dass ein Abknicken oder Verbiegen der Kontakte unmöglich wird. Die mechanische Führung hat somit auch die Wirkung einer mechanischen Steckkodierung. Bei einem aus Stecker (Kupplungsteil 1) und Buchse (Kupplungsteil 2) bestehenden Rundsteckverbinder können beide Kupplungsteile damit nur in einer bestimmten, vorgegebenen Orientierung zusammengefügt werden. Dies schützt das angeschlossene Gerät vor unsachgemäße Handhabung bzw. Inbetriebnahme und ggf vor Verpolung.
Dadurch dass die inneren Komponenten der Isolierkörper, welche die Kontaktelemente tragen mittels der äußeren Komponenten vollständig in radialer Richtung und an den kontaktseitigen Stirnseiten umhüllt sind, werden die elektrisch leitenden Bestandteile der Steckverbindung (Leitungen, Lötanschlüsse, Kontaktstifte und Kontaktbuchsen) optimal gegen Kurzschluss bzw. mechanische Beschädigungen geschützt.
Die sogenannte Montagekodierung der inneren und äußeren Komponenten der Isolierkörper sorgen für eine sicheres und winkelrechtes Ineinanderfügen beider Isolierkörper-Komponenten beim Zusammenbau des Steckers. Während also die Steckkodierung eine Kodierung bei Verwendung bzw. Anwendung des Steckers in Verbindung mit einem zu versorgenden elektrischen Gerät ist, erfüllt die Montagekodierung den Zweck die Steckerherstellung kostengünstig und effektiv zu gestalten. Beide Kodierungen gewährleisten ein taktiles Erfassen der korrekten Kupplungspositionen und damit eine sichere, schnelle und zuverlässige Verbindung.
Vorteilhafterweise bestehen die Kontaktelemente aus Kontaktstiften und/oder Kontaktbuchsen und sind als Lötkontakte ausgebildet, wobei das erste Kupplungsteil nur Kontaktstifte und das zweite Kupplungsteil nur Kontaktbuchsen umfasst. Durch die Lötkontakte können im Gegensatz zu Schraubverbindungen sicherere Verbindungen hergestellt werden, die auch starken Vibrationen standhalten. Durch die Verwendung von entweder Buchsen oder Stiften vereinfacht sich der Fertigungsprozess, der in aller Regel automatisiert ablaufen wird.
Zusätzliche Vorteile ergeben sich, wenn das erste und zweite Kupplungsteil sowohl Kontaktstifte als auch Kontaktbuchsen umfasst. Dies ergibt eine zusätzliche bzw. redundante Realisierung einer Steckkodierung, da dann die Kupplungen nur in einer bestimmten Ausrichtung zueinander zusammengefügt werden kann und ebenfalls eine Verpolung vermeiden könnte.
Realisiert man die Anordnung so, dass die Kupplungsteile ein kontaktseitiges Polbild aufweisen, welches sich aus der Gleichverteilung von 10 als Pole ausgebildeten Kontaktelementen auf einem konzentrischen Kreis um die Mittelachse des Isolierkörpers ergibt, so kann aufgrund der symmetrischen Anordnung eine leichte und kostengünstige Fertigung gewährleistet werden und die Rundsteckverbindung für eine in der Bewegungsregelung von Synchron- und Asynchronmotoren übliche Verbindungsvorrichtung eingesetzt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn die Steckkodierung des Isolierkörpers ein außenliegender, radialer, sich über den gesamten oder einen Teil des Umfangs des Isolierkörpermantels erstreckende, kragenförmiger Gehäusevorsprung ist, der mittels wechselweise aufeinanderfolgender Vorsprünge und Ausnehmungen ausgebildet ist, wobei die Vorsprünge und Ausnehmungen der äußeren Isolierkörper beim Kuppeln außenseitig und formschlüssig ineinander greifen. Ein Verdrehen während des Zusammenführens beider Kupplungshälften ist damit weitgehendst ausgeschlossen, wodurch eine korrekte Verbindung automatisch zustande kommt, sobald die beiden Kupplungsteile einmal in richtiger Winkelorientierung zueinander zusammengeführt wurden.
Erfolgt die Ausführung so, dass die Vorsprünge und Ausnehmungen aus Kreissegmenten identischer und/oder unterschiedlicher Radien gebildet sind, so ist durch die weichen Rundungen eines Kreissegmentes im Gegensatz zu beispielsweise kantigen Formen ein geschmeidiges ruckfreies Ineinanderfügen gewährleistet, was den Verschleiß des Materials drastisch reduziert, insbesondere bei häufigen Steckvorgängen. Bei der Wahl unterschiedlicher Radien für die Kreissegmente erhält man eine für eine bestimmte Anwendung unverwechselbare Kodierung, die das Aufstecken anwendungsfremder Kupplungen vermeidet.
Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich dadurch, dass eine innenliegende Steckkodierung mittels eines axial angeordneten, stirnseitigen Vorsprunges bzw. einer axial angeordneten, stirnseitige Ausnehmung an der Kontaktseite des Isolierkörpers realisiert ist. Diese zusätzliche zur außenliegenden Steckkodierung vorhandene Maßnahme erhöht die Präzision bei der Führung beider Kupplungen und verringert die Möglichkeit des Verkantens beim Aufstecken oder Abziehen.
Bildet man die zuvor erwähnt innenliegende Steckkodierung so aus, dass das Profil des Vorsprunges bzw. der Ausnehmung pilzförmig ausgebildet ist und mittels einer zur Mittelachse konzentrischen, kreisförmigen und einer nicht konzentrischen rechteckigen Kontur realisiert ist, so ergibt sich durch die speziell geformte Pilzaußenkontur ein zusätzlicher Verdrehschutz, welcher das korrekte Aneinanderfügen beider Kupplungen, sogar in schlecht beleuchteten Räumen gewährleistet, da schon alleine mittels der taktilen Erfassung des Steckvorganges die korrekte Position beider Kupplungen zueinander gewährleistet ist. Ein zusätzlich noch voreilend angeordneter Pilzvorsprung würde diesen Effekt noch steigern.
Die zuvor genannten Vorteile kommen insbesondere zum Tragen, wenn es sich um einen Steckverbinder für Anwendungen der Bewegungsregelung in Form eines Positions- bzw. Geschwindigkeitsgebers handelt und wenigstens zwei Kontaktelemente gegenüber den übrigen Kontaktelementen voreilend ausgebildet sind. Gerade in diesem Anwendungsfall ist die Anordnung oftmals widrigen Umständen, z.B. in Fertigungshallen oder stark verschmutzten Maschinenräumen ausgesetzt und ein durch häufiges Umrüsten/Warten bedingtes hochfrequentiertes Betätigen der Steckverbindungen häufig auch unter Zeitdruck erforderlich. Die Steckkodierungen schützen hierbei vor einer fehlerhaften Kontaktierung, die Führungen erleichtern die Betätigung und die Konzeption der voraus- bzw. nacheilenden Kontaktelemente sichert die hochwertige Elektronik, die Bewegungsvorgänge für nachgeschaltete Steuerungen (z.B. SPS) erfasst und auswertet bzw. verarbeitet.
Vereint man die zuvor genannten Vorteile so, dass es sich um einen Leistungssteckverbinder zur Versorgung von elektrischen Maschinen handelt, insbesondere von Drehstrommaschinen, so ergeben sich ebenfalls hochpräzise und sichere Steckverbindungen, die auch erhöhten ungünstigen Umgebungsbedingungen in einem feuchtigkeits- und schutzbehafteten Arbeitsumfeld gerecht werden.
Weiter Erhöhen lässt dich die Sicherheit der Verbindung dadurch, dass beide Kupplungsteile mittels einer Schraubverbindung verriegelt sind, insbesondere mittels einer Überwurfmutter, und eines Außengewindes. Ein versehentliches Abziehen wird damit unmöglich. Auch ein Lösen der Verbindung durch beispielsweise starke Vibrationen ist nahezu ausgeschlossen.
Bedienerfreundlicher kann man die zuvor genannte Lösung dadurch gestalten, dass die Überwurfmutter mit über wenigstens einen Teil des Außenumfangs verteilten Ausnehmungen und Vorsprüngen parallel zu ihrer Längsachse ausgebildet ist. Gerade bei verschmutzten oder öligen Umgebungsverhältnissen erleichtert dies die Betätigung der Schraubmutter beim Lösen oder Schließen, beispielsweise wenn der Bediener verschmutzte Hände hat.
Eine weitere Adaptierung für widrige Umgebungsbedingungen erfährt die Vorrichtung dadurch, dass der Kabeleinlass mittels einer Dichtvorrichtung gegen das Eindringen fester und/oder flüssiger Stoffe abgedichtet ist. Dies schützt die innenliegenden Kontakte gegen Korrosion, Kurzschlüsse und Verschmutzung.
Maximale Abschirmung gegenüber der Umgebung erreicht man damit, dass sämtliche Stoßfugen, Nahtstellen und Schraubverriegelungen gegen das Eindringen von Feuchtigkeit oder flüssigen Stoffen abgedichtet sind, vorzugsweise mittels Dichtringen (O-Ringen). Selbst eine spritzwasserdichte oder gar wasserdichte Ausführung, zumindest aber eine höhere IP-Schutzart wie IP 65, wäre damit zu erreichen.
Figur 1 zeigt die kontaktseitige Ansicht eines Isolierkörpers 1 (zweite Komponente) eines erfindungsgemäß ausgebildeten Rundsteckverbinders mit Auslassungen für Kontaktelemente 2, Vorsprüngen 3, Ausnehmungen 4, Außenmantel des Isolierkörpers (Kupplung) 5, außenliegender Montagekodierung 6, rechteckiger Ausnehmung 7, kreisförmiger, konzentrischer Ausnehmung 8, welche die innenliegende Steckkodierung 9ab bilden, Kontaktelementen 10, und kontaktseitiger Stirnflächen 16.
Das Beispiel zeigt zehn am Isolierkörper 1 angebrachte (geklemmte oder gesteckte) Kontaktstifte 10 Selbstverständlich wäre die Anzahl auch beliebig änderbar. Je nach Anwendungsfall können einzelne oder Gruppen von Kontaktstiften 10 zur Energieversorgung vorauseilend ausgeführte werden, so dass sich die bereits beschriebenen Vorteile ergeben. Die Kontakte 10 liegen auf einem zur Mittelachse des Steckers konzentrischen fiktiven Kreis. Ihr Abstand zueinander kann als Kreisbogensegment identischer Länge beschrieben werden. Auch ungleichmäßige Abstände zwischen den Kontakten 10 oder Kontakte mit unterschiedlichem Abstand vom Mittelpunkt wären selbstverständlich denkbar, ohne dass dies eine Auswirkung auf die Wirkung der Erfindung hätte (Stecker mit mehreren Kontaktreihen). Im Zentrum des Isolierkörpers befindet sich der pilzförmige Vorsprung 9a, welcher, bei der Annahme die Fig. 1 gezeigte Kupplung sei die kontaktseitige Ansicht eines Steckers, in eine korrespondierende Öffnung 9b der gegensinnigen Kupplung (Buchse) bzw. Flanschdose formschlüssig eintaucht. Die Kupplung 5 bzw. ihr äußerer Isolierkörper 1 sind achssymmetrisch zur senkrechten, strichpunktiert eingezeichneten Achse (Ordinate) in diesem Beispiel ausgebildet. Die Kontakte 10 könnten sowohl als Stecker oder als Buchse ausgeführt sein, auch eine gemischte Anordnung, z.B. als Zuordnungsmarkierung für bestimmte Signalgruppen wäre denkbar. Das in Fig. 1 gezeigte Polbild mit 10 Polen kommt insbesondere in einer Vorrichtung zur Bewegungsregelung von elektrischen Motoren zum Einsatz.
Die äußere Montagekodierung 6 erleichtert die Montage des Steckers erheblich, wenn der zweikomponentige Isolierkörper 1 in das i.d.R. metallische Kupplungsgehäuse 5 eingeführt wird. Durch einfaches Ansetzen und Drehen des Isolierkörpers 1 bei der Montage fährt dieser automatisch in das Gehäuse hinein, sobald die korrekte Orientierung erreicht ist. Die kranzförmig an der kontaktseitigen Stirnseite des Steckers angebrachten Ausnehmungen 4 und Vorsprünge 3 gewährleisten aufgrund der abgerundeten Formen zusammen mit der invers ausgebildeten Aufnahme des korrespondierenden Kupplungsstückes ein formschlüssiges weiches Ineinandergleiten der Isolierkörper 1 beim Kuppeln beider Teile. Die gleichmäßig ausgebildeten wellenartigen Kuppelkränze beider Isolierkörper 1 sind hier mit unterschiedlichen Radien realisiert, so dass sich eine äußere Steckkodierung zur Sicherstellung eines winkelrechten Kupplungsvorganges ergibt.
Sowohl die Ausbildung des Kupplungskranzes mittels der Ausnehmungen 4 und Vorsprünge 3 als auch die pilzförmige Ausnehmung 9b (Kupplungsteil 1) bzw. der pilzförmige Vorsprung 9a (Kupplungsteil 2) bewirken zusammen mit der äußeren Steckkodierung eine mechanische Führung, ähnlich eines Schienensystems, so dass ein Abweichen von der gewünschten Bewegungsbahn, zumindest während des Abziehens bzw. des Aufsteckens im Rahmen der zugelassenen Toleranzen, kaum möglich ist.
Figur 2 zeigt den in Figur 1 angedeuteten Längsschnitt A-A durch miteinander verbundene Isolierkörper des ersten und zweiten Kupplungsteiles 15 eines Rundsteckverbinders 14. Es sind weiter zu sehen die innenliegende Steckkodierung 9ab, die Kontaktelemente 10, die erste Komponente 11 und die zweite Komponente 1 des Isolierkörpers, die innenliegende Montagekodierung 12 und die außenliegende Steckkodierung 13, die axialen Ausnehmungen 17 der innenliegenden Montagekodierung, die Kontaktelemente 10 sowie der Verzahnungsbereich 18 beider Isolierkörper. Das meist metallisch ausgeführte Gehäuse des Rundsteckverbinders ist hier nicht dargestellt.
Die Figur 2 zeigt deutlich, dass ein erfindungsgemäßer Rundsteckverbinder 14 aus zwei Kupplungsteilen 15 zusammengesetzt ist. Ein Kupplungsteil 15 umfasst jeweils zwei Isolierkörper 1, 11. Dies sind eine äußere Komponente 1 und eine innere Komponente 11, wobei die innere Komponente 11 u.a. zur Aufnahme der Kontaktelemente 10 in mit Haltenasen 19 ausgebildeten Führungskanälen dient und die äußere Komponente 1 die innere Komponente 11 in radialer Richtung konzentrisch vollständig und kontaktseitig ummantelt. Lediglich rückseitige existiert keine Ummantelung, da hier die Anschlusskabel zugeführt und an die Kontaktelemente 10 angelötet werden. Die äußere Komponente 1 weist zur Aufnahme der inneren Komponenten 11 auch eine innenliegende Montagekodierung 12, 17 zur Sicherstellung einer korrekten Ausrichtung beider Komponenten in vertikaler und horizontaler Richtung zueinander auf Diese innenliegende Montagekodierung 12, 17 ist hier konkret mittels eines axial angeordneten Aufnehmers in Form eines stiftförmige Vorsprunges mit pilzförmigem Profil realisiert, welcher in eine konzentrische Ausnehmung 17 gleichen Profils des inneren Isolierkörpers 11 eingreift. Weiterhin ist eine innere Steckkodierung mit einem ebenfalls pilzförmigen Querschnitt und einer Ausnehmung 9a (z.B: Kupplungsteil 1) bzw. einem pilzförmigen Vorsprung 9b (z.B. Kupplungsteil 2) für die mechanische Führung beider Kupplungsteile 15 eingezeichnet. Selbstverständlich könnte jedes andere Querschnittsprofil gewählt werden. Prinzipiell gilt, dass das Querschnittsprofil darüber entscheidet, ob es sich um eine reine Führung oder um eine Kombination aus Führung und Steckkodierung handelt. Letzteres kann man durch unsymmetrische oder achssymmetrische Konturen erreichen. Ebenfalls sichtbar ist die außenliegende Steckkodierung 13. Das rechte Kupplungsteil 15 greift dabei über das linke Kupplungsteil 15 und wird mittels der äußeren Steckkodierung 13 des Isolierkörpers 1 in Verbindung mit der inneren Steckkodierung 9a,b geführt. Die kranzförmige, vorspringende äußere Steckkodierung des rechten Isolierkörpers 1 ragt dabei über die kontaktseitig vorstehenden Kontaktstifte hinaus und bietet somit auch im nicht gekuppelten Zustand beider Kupplungen einen Schutz gegen äußere Einwirkungen. Somit vermeidet man zum Beispiel, dass die Kontakte verbogen oder verschmutzt werden, wenn der Kontakt geöffnet ist. Sobald beide Isolierkörper an ihre Kontaktseiten zusammengefügt werden, greifen beide Steckkodierungen bei korrekter axialer und radialer Ausrichtung ineinander und verhindern ab diesem Zeitpunkt ein Verdrehen beider Kupplungsteile zueinander, bis die Kontaktelemente 10 greifen und die Kontakte hergestellt sind. Hierzu ist ein Kontaktelemente 10 als Buchse und eines als Stift ausgebildet. Gehalten werden die Kontaktelemente 10 mittels in axialer Richtung angebrachter Führungsnuten auf der Mantelfläche des ersten bzw inneren Isolierkörpers 11. Hierzu befinden sich an den Führungsnuten clipsartige Vorsprünge bzw. die oben bereits erwähnten Haltenasen, welche die Kontaktelemente teilweise umschließen und den festen Sitz gewährleisten, indem sie in korrespondierende, an den Mantelflächen der Kontaktstifte angebrachten Ausnehmungen, eingreifen. Ein Vorauseilen bzw. Nacheilen von Kontaktelementen kann durch die entsprechende Anordnung von Haltenasen vorauseilender Kontaktstifte relativ zu den Haltenasen nacheilender Kontaktelemente erreicht werden. Im Bild sind die rechten Kontaktelemente 10 als Stifte und die linken Kontaktelemente 10 als Buchsen ausgebildet. Selbstverständlich könnte aus den bereits unter Figur 1 genannten Vorteile diese Anordnungen auch soweit geändert werden, dass Buchsen und Stifte gemischt auftreten.
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