Verbindungsstück

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsstück zum Verbinden von einem elektrischen Hohlleiter und einer Kühlmittelleitung, umfassend: ein fluiddichtes, einen hohlen Innenraum aufweisendes Gehäuse; eine Hohlleiteröffnung in dem Gehäuse zum Aufnehmen des elektrischen Hohlleiters; eine Kühlmittelleitungsöffnung in dem Gehäuse zum

Aufnehmen der Kühlmittelleitung; und ein elektrisch isolierendes

Trennelement, wobei: der Innenraum die Hohlleiteröffnung und die Kühlmittelleitungsöffnung hydraulisch verbindend ausgebildet ist; das Gehäuse ein kühlmittelleitungsseitiges Gehäuseteil und ein von dem kühlmittelleitungsseitigen Gehäuseteil separierbares hohlleiterseitiges Gehäuseteil umfasst; und das Trennelement zwischen dem

kühlmittelleitungsseitigen Gehäuseteil und dem hohlleiterseitigen

Gehäuseteil angeordnet ist, das kühlmittelleitungsseitige Gehäuseteil und das hohlleiterseitige Gehäuseteil voneinander beabstandend ausgebildet ist und einen Kühlmittelkanal aufweist, wobei der Kühlmittelkanal zumindest einen Teil des Innenraumes bereitstellend ist.

Ein elektrischer Hohlleiter im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Hohlleiter, der zum hydraulischen Leiten des Kühlmittels und zum elektrischen Leiten von elektrischen Strömen einsetzbar ist. Insbesondere ist der elektrische Hohlleiter rundrohrförmig ausgebildet und weist einen Außendurchmesser in einem Bereich von 1 ,0 mm bis 3,2 mm auf.

Das in dem elektrischen Hohlleiter und der Kühlmittelleitung strömende Kühlmittel besteht aus einem elektrisch isolierenden Fluid, wobei das Fluid eine Flüssigkeit oder ein Gas ist. Falls das Fluid ein Gas ist, so sind alle Bezugnahmen auf Hydraulik durch Pneumatik zu ersetzen. Beispielsweise ist dann der Innenraum die Hohlleiteröffnung und die

Kühlmittelleitungsöffnung pneumatisch verbindend ausgebildet.

Ein gattungsgemäßes Verbindungsstück ist aus der internationalen Patentanmeldung WO 2015 / 150 556 A9der Anmelderin bekannt, die nachveröffentlichter Stand der Technik zu der vorliegenden Anmeldung ist. Damit das gattungsgemäße Verbindungsstück bei sehr hohen

Drücken, beispielsweise größer 100 bar, und/oder Temperaturen, beispielsweise größer 100°C, dauerhaft dicht ist, bedarf es eines äußerst präzisen Zusammenbaus des gattungsgemäßen Verbindungsstückes, was die Herstellungskosten und die Fehleranfälligkeit erhöht.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verbindungsstück der eingangs genannten Art anzugeben, das einfach und fehlertolerant herstellbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein

Verbindungsstück der eingangs genannten Art vor, wobei das

Trennelement als eine Kugel ausgebildet ist. Mit großem Vorteil sorgt die Kugel bei dem Zusammenbau des erfindungsgemäßen

Verbindungsstückes für eine automatische Zentrierung des

kühlmittelleitungsseitigen Gehäuseteiles relativ zu dem hohlleiterseitigen Gehäuseteil. Spätestens kurz vor einer Montageendlage bewirkt die Geometrie der Kugel eine exakte Ausrichtung des

kühlmittelleitungsseitigen Gehäuseteiles relativ zu dem hohlleiterseitigen Gehäuseteil. Ein Versatz zwischen dem kühlmittelleitungsseitigen

Gehäuseteil und dem hohlleiterseitigen Gehäuseteil, der zu einem Verlust der Dichtigkeit des erfindungsgemäßen Verbindungsstückes führen könnte, ist konstruktiv ausgeschlossen. Somit ist das erfindungsgemäße Verbindungsstück einfach und fehlertolerant herstellbar, ohne an

Funktionalität zu verlieren. Des Weiteren ist die Kugel auf Grund ihrer Geometrie optimal druckresistent. Eine insbesondere bei hohen Drücken im Innenraum erforderliche günstige Druckverteilung hilft,

materialermüdende Druck- und/oder Spannungsspitzen zu vermeiden, was eine Standzeit des erfindungsgemäßen Verbindungsstückes deutlich verlängert. Der Kühlmittelkanal der Kugel ist eine Durchgangsöffnung, insbesondere eine Durchgangsbohrung.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht das Trennelement aus einem keramischen Material. Keramische Materialien sind hinreichend druckresistent, hitzeresistent und elektrisch isolierend. Ein bevorzugtes keramisches Material ist Zirconiumdioxid. In einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht das Trennelement aus Polytetrafluorethylen (PTFE), das bei geringeren Drücken und niedrigeren Temperaturen ausreichend stabil ist.

In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Verbindungsstück ein in der Hohlleiteröffnung angeordnetes, elektrisch leitendes Anschlussstück zum Befestigen des elektrischen Hohlleiters an dem hohlleiterseitigen Gehäuseteil, wobei das

Anschlussstück an einem kugelseitigen Ende des Anschlussstückes eine kugelsegmentförmige oder kegelförmige Ausnehmung aufweist. Das Anschlussstück dient als Adapter zwischen dem in der Regel filigranen elektrischen Hohlleiter und dem hohlleiterseitigen Gehäuseteil. Die kugelsegmentförmige Ausnehmung umschließt die Kugel teilweise und stellt somit eine stabile Verbindung zu der Kugel bereit. Die

kugelsegmentförmige oder kegelförmige Ausnehmung und die Kugel sind bezüglicher ihrer Größen aufeinander abgestimmt, wobei ein

Durchmesser der Kugel in einem Bereich von 4 mm bis 30 mm liegt. Bevorzugt ist der Durchmesser gleich 8 mm, 10 mm, 12 mm oder 15 mm. ln einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Anschlussstück an einem hohlleiterseitigen Ende des Anschlussstückes eine Sammelscheibe, wobei die Sammelscheibe zwei oder mehr

Bohrungen zum Aufnehmen von elektrischen Hohlleitern aufweist. Die Sammelscheibe dient zum hydraulischen und elektrischen

Zusammenführen von zwei oder mehr elektrischen Hohlleitern in ein Anschlussstück. Bevorzugt weist die Sammelscheibe drei, sechs, neun oder mehr Bohrungen auf. In einer alternativen Ausgestaltung weist die Sammelscheibe lediglich eine Bohrung zum Aufnehmen von einem elektrischen Hohlleiter auf. In diesem Fall ist die Sammelscheibe eine Hülse.

In einer weiterführenden Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Anschlussstück eine Kontaktplatte, wobei die Kontaktplatte das hohlleiterseitige Gehäuseteil durchsetzend ausgebildet ist. Die Kontaktplatte stellt einen elektrischen Anschluss für die elektrischen

Hohlleiter des Anschlussstückes bereit, der von außerhalb des Gehäuses zugänglich ist.

In einer äußerst vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Gehäuse zwei oder mehr Innenräume auf, wobei ein erster Innenraum von den Innenräumen und ein von dem ersten Innenraum verschiedener zweiter Innenraum von den Innenräumen innerhalb des Gehäuses hydraulisch voneinander getrennt sind. Durch die zwei oder mehr Innenräume in dem Gehäuse stellt das Verbindungsstück mit großem Vorteil eine Vorrichtung bereit, die einen oder mehr

Stromkreisläufe und/oder Kühlkreisläufe mit Zulauf und Ablauf ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verbindungsstück fungiert somit als zentrale elektrische und hydraulische Anschlussvorrichtung an einer

elektromagnetischen Maschine, die eine Spule umfasst, die mit elektrischen Hohlleitern gewickelt ist. In einer ersten besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der erste Innenraum mit einer Hohlleiteröffnung hydraulisch verbunden und der zweite Innenraum ist mit drei Hohlleiteröffnungen hydraulisch verbunden. Diese Konfiguration wird beispielsweise bei einer

Sternschaltung für Dreiphasenwechselstrom verwendet. Die

Hohlleiteröffnung des ersten Innenraumes ist hierbei ein hydraulischer Sternpunkt, der über einen Kühlmittelzulauf mit Kühlmittel versorgt ist. Ausgehend von dem Sternpunkt ist ein oder mehrere elektrische Hohlleiter in drei Arme der Sternschaltung geführt. Von jedem der Arme ist eine Phase, die einen oder mehrere elektrische Hohlleiter umfasst, hydraulisch zurückgeführt zu einer der drei Hohlleiteröffnungen des zweiten

Innenraumes, der mit einem Kühlmittelablauf verbunden ist. Sämtliche Hohlleiteröffnungen sind elektrisch gegeneinander isoliert.

In einer zu der ersten besonderen Ausgestaltung alternativen zweiten besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der erste

Innenraum mit zwei Hohlleiteröffnungen hydraulisch verbunden und der zweite Innenraum ist mit zwei Hohlleiteröffnungen hydraulisch verbunden. Diese Konfiguration wird beispielsweise bei einer Dreieckschaltung für Dreiphasenwechselstrom verwendet. Die zwei Hohlleiteröffnungen des ersten Innenraumes sind mit einem Kühlmittelzulauf verbunden, wobei eine Hohlleiteröffnung mit einem oder einer Vielzahl an elektrischen Hohlleitern verbunden ist und die andere Hohlleiteröffnung mit einem oder einer Vielzahl an elektrischen Hohlleitern verbunden ist. Die elektrischen Hohlleiter sind in die drei Schenkel der Dreieckschaltung geführt. Von jedem der Schenkel ist eine Phase, die einen oder mehrere elektrische Hohlleiter umfasst, zurückgeführt zu den zwei Hohlleiteröffnungen des zweiten Innenraumes, der mit einem Kühlmittelablauf verbunden ist, wobei eine Hohlleiteröffnung mit einer Vielzahl an elektrischen Hohlleitern verbunden ist und die andere Hohlleiteröffnung mit einem oder einer Vielzahl an elektrischen Hohlleitern verbunden ist. Die jeweils anderen Hohlleiteröffnungen sind elektrisch miteinander verbunden. Ansonsten sind die Hohlleiteröffnungen elektrisch gegeneinander isoliert.

In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind das kühlmittelleitungsseitige Gehäuseteil und das hohlleiterseitige

Gehäuseteil mittels tellerfedertragender Schrauben miteinander verbunden. Schrauben, insbesondere Stahlschrauben, ermöglichen ein kontinuierliches und hinreichend starkes Anpressen der beiden

Gehäuseteile aneinander, um eine dichte Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen zu erreichen. Ein Anzugsdrehmoment für die Schrauben beträgt etwa 6 Nrn. Die Tellerfedern gleichen

temperaturbedingte Schwankungen in einer geometrischen Ausdehnung der Gehäuseteile aus.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht das kühlmittelleitungsseitige Gehäuseteil aus Kupfer und das

hohlleiterseitige Gehäuseteil besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Das Kupfer ist insbesondere Weichkupfer mit einer Vickers-Härte von kleiner als 50 und einer Zugfestigkeit von etwa 200 N/mm ² . Weiterhin erweist sich das Verhältnis des Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von zahlreichen keramischen Materialien von 2:1 als optimal, um eine über einen weiten Temperaturbereich dichte Verbindung zwischen dem

kühlmittelleitungsseitigen Gehäuseteil und den Kugeln zu erreichen. Der glasfaserverstärkte Kunststoff verleiht dem hohlleiterseitigen Gehäuseteil ausreichende mechanische Stabilität und elektrische

Isolationseigenschaften, sodass ein Kurzschluss oder

Spannungsdurchschlag zwischen den einzelnen Hohlleiteröffnungen ausgeschlossen ist. Das erfindungsgemäße Verbindungsstück wird in elektromagnetischen Maschinen verwendet, die mindestens eine Spule umfassen, die mit mindestens einem elektrischen Hohlleiter gewickelt ist. Bevorzugte elektromagnetische Maschinen sind Elektromotoren, Generatoren,

Transformatoren, Drosseln, Frequenzumrichter und Batterien. Durch eine entsprechende Anordnung können somit komplette elektrische Systeme mit Hohlleiterkühlung ausgestattet werden, beispielsweise indem

Frequenzumrichter, Batterien und Ähnliche angeschlossen werden.

Die Erfindung wird in zwei bevorzugten Ausführungsformen unter

Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnungen zu entnehmen sind.

Die Figuren der Zeichnungen zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Verbindungsstückes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine Schnittansicht eines Verbindungsstückes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 eine weitere Schnittansicht des Verbindungsstückes gemäß der ersten oder der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Verbindungsstückes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die erste Ausführungsform wird bei einer Sternschaltung eingesetzt. Das

Verbindungsstück gemäß der ersten Ausführungsform dient zum

Verbinden von acht elektrischen Hohlleitern und zwei Kühlmittelleitungen, nämlich einem Kühlmittelzulauf und einem Kühlmittelablauf. Das

Verbindungsstück umfasst: ein fluiddichtes, zwei hohle Innenräume aufweisendes Gehäuse 1 ; vier Hohlleiteröffnungen 2 in dem Gehäuse 1 zum Aufnehmen der elektrischen Hohlleiter; zwei Kühlmittelleitungsöffnungen 3 in dem Gehäuse 1 zum Aufnehmen der Kühlmittelleitungen; und vier elektrisch isolierende Trennelemente 4. Das Gehäuse 1 umfasst ein kühlmittelleitungsseitiges Gehäuseteil 5 und ein von dem kühlmittelleitungsseitigen Gehäuseteil 5 separierbares

hohlleiterseitiges Gehäuseteil 6. Das kühlmittelleitungsseitige

Gehäuseteil 5 besteht aus Kupfer. Das hohlleiterseitige Gehäuseteil 6 besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff.

Jedes der Trennelemente 4 ist zwischen dem kühlmittelleitungsseitigen Gehäuseteil 5 und dem hohlleiterseitigen Gehäuseteil 6 angeordnet, beabstandet das kühlmittelleitungsseitige Gehäuseteil 5 und das hohlleiterseitige Gehäuseteil 6 voneinander und weist einen

Kühlmittelkanal 7 auf, wobei der Kühlmittelkanal 7 einen Teil eines

Innenraumes bereitstellend ist. Erfindungsgemäß wesentlich ist, dass jedes der Trennelemente 4 als eine Kugel ausgebildet ist. Die Kugeln bestehen aus einem keramischen Material, nämlich aus Zirconiumdioxid. Weiterhin umfasst das Verbindungsstück vier in den Hohlleiteröffnung 2 angeordnete, elektrisch leitende Anschlussstücke 8 zum Befestigen der elektrischen Hohlleiter an dem hohlleiterseitigen Gehäuseteil 6. Jedes der Anschlussstücke 8 weist an einem kugelseitigen Ende des jeweiligen Anschlussstückes 8 eine kugelsegmentförmige Ausnehmung 9 auf, in der die Kugel aufgenommen ist. Alternativ ist die Ausnehmung 9 kegelförmig. Zusätzlich umfasst jedes der Anschlussstücke 8 an einem

hohlleiterseitigen Ende des jeweiligen Anschlussstückes 8 eine

Sammelscheibe 10. Die Sammelscheibe 10 des einen

Anschlussstückes 8, das Teil eines Zulaufinnenraumes ist (linker

Innenraum in der Fig. 1 ), weist zwei oder gegebenenfalls mehr Bohrungen zum Aufnehmen von elektrischen Hohlleitern auf. Jede der

Sammelscheiben 10 der drei Anschlussstücke 8, die Teil eines

Ablaufinnenraumes sind (rechter Innenraum in der Fig. 1 ), weist zwei oder gegebenenfalls mehr Bohrungen zum Aufnehmen von elektrischen Hohlleitern auf. Die Hohlleiter sind mit den Sammelscheiben hartverlötet. Die Sammelscheiben sind mit den jeweiligen Anschlussstücken 8 hartverlötet. Das Anschlussstück 8 des Zulaufinnenraumes ist gegenüber den drei Anschlussstücken 8 des Ablaufinnenraumes innerhalb des Gehäuses 1 hydraulisch getrennt und elektrisch isoliert. Die drei

Anschlussstücke 8 des Ablaufinnenraumes sind innerhalb des

Gehäuses 1 hydraulisch miteinander verbunden und elektrisch

gegeneinander isoliert. Das kühlmittelleitungsseitige Gehäuseteil 5 und das hohlleiterseitige Gehäuseteil 6 sind mittels zehn tellerfedertragender Schrauben 12 miteinander verbunden.

Die Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines Verbindungsstückes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform wird bei einer Dreieckschaltung eingesetzt. Das

Verbindungsstück gemäß der zweiten Ausführungsform ist zu dem

Verbindungsstück gemäß der ersten Ausführungsform sehr ähnlich aufgebaut. Allerdings sind die vier Anschlussstücke 8 hydraulisch und elektrisch anders verschaltet. Jede der Sammelscheiben 10 der zwei äußeren Anschlussstücke 8 weist zwei oder gegebenenfalls mehr

Bohrungen zum Aufnehmen von elektrischen Hohlleitern auf. Jede der Sammelscheiben 10 der zwei inneren Anschlussstücke 8 weist zwei oder gegebenenfalls mehr Bohrungen zum Aufnehmen von elektrischen Hohlleitern auf. Die zwei inneren Anschlussstücke 8 sind elektrisch miteinander verbunden. Ansonsten sind die Anschlussstücke 8 elektrisch gegeneinander isoliert. Der Zulaufinnenraum ist mit zwei

Hohlleiteröffnungen 2 hydraulisch verbunden. Der Ablaufinnenraum ist mit zwei Hohlleiteröffnungen 2 hydraulisch verbunden. Die zwei links dargestellten Anschlussstücke 8 des Zulaufinnenraumes (linker

Innenraum in der Fig. 2) sind innerhalb des Gehäuses 1 hydraulisch miteinander verbunden und elektrisch gegeneinander isoliert. Die zwei rechts dargestellten Anschlussstücke 8 des Ablaufinnenraumes (rechter Innenraum in der Fig. 2) sind innerhalb des Gehäuses 1 hydraulisch miteinander verbunden und elektrisch gegeneinander isoliert. Die zwei inneren Anschlussstücke 8 gehören zu unterschiedlichen Innenräumen, sind aber elektrisch miteinander verbunden. Die Fig. 3 zeigt eine weitere Schnittansicht des Verbindungsstückes gemäß der ersten oder der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schnittebene ist zu den Schnittebenen gemäß den Fig. 1 und 2 orthogonal orientiert und macht das Anschlussstück 8 des

Zulaufinnenraumes einsehbar. Der Durchmesser der Ausnehmung 9 des Anschlussstückes 8 des Zulaufinnenraumes beträgt 15 mm. Das als Kugel ausgebildete Trennelement 4 des Zulaufinnenraumes weist einen

Durchmesser von 15 mm auf. Das Anschlussstück 8 umfasst eine

Kontaktplatte 1 1 , wobei die Kontaktplatte 1 1 das hohlleiterseitige

Gehäuseteil 6 durchsetzend ausgebildet ist. Die Kontaktplatte 1 1 weist eine Bohrung auf, um eine stabile Verbindung mit beispielsweise einem elektrischen Kabel oder Kabelschuh zu ermöglichen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Gehäuse

2 Hohlleiteröffnung

3 Kühlmittelleitungsöffnung

4 Trennelement

5 Kühlmittelleitungsseitiges Gehäuseteil

6 Hohlleiterseitiges Gehäuseteil

7 Kühlmittel kanal

8 Anschlussstück

9 Ausnehmung

10 Sammelscheibe

1 1 Kontaktplatte

12 Schraube