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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochvoltsteckverbinder für ein Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Beim Einsatz elektrischer Geräte oder Komponenten können über bestimmte elektromagnetische Koppel- oder Störpfade elektromagnetische Emissionen emittiert werden. Deshalb werden entsprechende Komponenten abgeschirmt oder, wenn dies nicht ausreicht, in diesen Komponenten entsprechende Dämpfungseinrichtungen integriert. Bei den genannten Geräten oder Komponenten handelt es sich insbesondere um Leistungs- oder Steuerungselektroniken für elektrifizierte Antriebe. Bei diesen Dämpfungseinrichtungen handelt es sich um separate Baugruppen, welche verhältnismäßig viel des kraftfahrzeugseitig typischerweise ohnehin knapp bemessenen Bauraums beanspruchen.
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Jedes elektrische Bauteil, Komponente oder Gerät erzeugt elektromagnetische Felder, welche über die emittierende Komponente hinausgehen und somit in andere Komponenten eindringen und deren Funktionen stören. Die emittierende Komponente wird als Störquelle bezeichnet. Gestörte Komponenten, welche die Störung empfangen, werden Störsenke genannt. Grundsätzlich kann eine Komponente sowohl Störquelle als auch Störsenke sein. Die sogenannte Kopplung beschreibt dabei den Weg der elektromagnetischen Störenergie zwischen Quelle und Senke.
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Dies vorausgeschickt spielt die sogenannte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine wichtige Rolle. EMV beschreibt das störungsfreie Funktionieren der Komponenten und des Gesamtsystems sowie gleichzeitig auch die Beschränkung seines elektromagnetischen Feldes auf die betroffene Komponente selbst und deren Verträglichkeit für die Umgebung hinsichtlich der Störaussendung und Störfestigkeit. Je nach Art der Kopplung wirken dabei andere Störmechanismen, die leitungsgebundene oder leitungsungebundene Störungen hervorrufen. Eine bekannte Maßnahme zur Erhöhung der EMV ist der Einsatz von geschirmten Kabeln, bei denen die Schirmung eine elektrisch-leitende Schutzummantelung ist, die einzelne Leitungen in einem Kabel oder eine Anzahl von Leitungen (oder alle Leitungen) in einem Kabel umgibt. Einerseits durch die Reduktion der elektromagnetischen Einstreuungen und Interferenzen auf die signalführenden Leiter oder in die Komponenten als auch andererseits ein Minimieren der Streuungen aus dem Kabel oder den Komponenten auf die Umwelt unterstützt die Schirmung die EMV.
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Über die Schutzummantelung kann hochfrequente Energie unerwünschterweise abgestrahlt werden. Dabei wird die Störung als Mantelwelle, also als Gleichtaktstörung aus dem Gerät geführt und vom Kabel abgestrahlt – das gesamte Kabel bzw. dessen Abschirmung wirkt dabei als Antenne. Um diese Mantelwellen zu dämpfen, werden die Kabel im gesamten Querschnitt durch einen Ferritkern als Mantelwellenfilter geführt. Um auf Gleichspannung führenden Stromversorgungsleitungen hochfrequente Störungen zu dämpfen, werden die einzelnen elektrischen Leitungen oder Stromschienen durch Ferritkerne geführt, welche wie eine Drossel mit geringer Induktivität wirken. So werden hochfrequente Störimpulse auf Versorgungsleitungen gedämpft beziehungsweise deren Ausbreitung auf den angeschlossenen Leitungen reduziert. Bei auftretenden EMV-Problemen wird deshalb – innerhalb eines Redesigns – auf den Leitungen innerhalb der elektrischen Komponente ein Ferritkern vorgesehen. Da hier ein Redesign notwendig ist, wird der Entwicklungsprozess verlangsamt. Weiterhin können Probleme mit dem zur Verfügung stehenden Bauraum und deren Lösung weitere Verzögerungen implizieren.
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Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel einen EMV-Filter bereitzustellen, der einfach und kostengünstig in bestehende Geräte integrierbar ist.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Hochvoltsteckverbinder für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, umfasst zumindest eine Leitung, die durch ein elektrisch isolierendes Gehäuse geführt wird. Die Leitung ist eingerichtet, eine Hochvoltspannung von zumindest 400 V zu führen. Weiterhin weist der Hochvoltsteckverbinder ein elektromagnetisches Dämpfungselement auf, das die zumindest eine Leitung zumindest abschnittsweise umschließt. Dabei ist das Dämpfungselement innerhalb des Gehäuses angeordnet. Durch die Integration eines elektromagnetischen Dämpfungselements in den Hochvoltsteckverbinder werden elektromagnetische Emissionen gedämpft.
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Unter einem Hochvoltsteckverbinder kann ein kabelseitiger Steckverbinder oder ein geräteseitiger Steckverbinder verstanden werden. Dabei wird mit dem Begriff "Hochvolt" eine Spannungslage größer 65 V bezeichnet. Im Kraftfahrzeug sind derartige Steckverbinder für ein Spannungsniveau (Hochvolt-Spannung) von mindestens 400 V, typischerweise in etwa 480 V oder für einen Einsatz bei über 800 V, typischerweise in etwa 900 V bis 980 V, ausgelegt. Die zumindest eine Leitung ist eingerichtet, eine Hochvoltspannung zu leiten. Die Leitung kann auch als elektrischer Leiter bezeichnet werden. Das elektromagnetische Dämpfungselement ist eingerichtet, den Außenumfang der wenigstens einen elektrischen Leitung in Längen- und/oder in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise zu umgeben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die zumindest eine Leitung einen Mantel, auch als Leitungsmantel bezeichnet, als Kabelschirm auf. Wenn eine Vielzahl von (zumindest zwei) Leitungen vorgesehen ist, so können diese von einem Gesamtschirm oder Gesamtmantel umschlossen sein. Dabei ist der Kabelmantel im Bereich des elektrischen Dämpfungselements unterbrochen, oder mit anderen Worten ist zwischen dem elektrischen Dämpfungselement und der Leitung kein Mantel oder Kabelmantel angeordnet. Durch die Anordnung des elektrischen Dämpfungselements innerhalb des elektrisch isolierenden Gehäuses wird in der Regel kein zusätzlicher Bauraum benötigt und das elektrische Dämpfungselement ist vor mechanischen Beschädigungen geschützt.
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Bevorzugt umfasst der Hochvoltsteckverbinder zumindest eine zweite Leitung. Wie dargestellt weisen die eine Leitung und die zumindest zweite Leitung jeweils einen die jeweilige Leitung umfassenden Leitungsmantel auf. Die eine Leitung und die zumindest zweite Leitung bilden ein Kabel mit einem die Leitungen umhüllenden Gesamtschirm. Dabei weisen im Bereich des elektromagnetischen Dämpfungselements die Leitungen keinen Leitungsmantel auf und der Gesamtschirm umfasst das elektromagnetische Dämpfungselement außen. So umfasst der Gesamtschirm im Umfang sowohl die Leitungen als auch das elektromagnetische Dämpfungselement. Der Gesamtschirm kann ausgebildet sein, mit einem Gerätegehäuse, in das der Hochvoltsteckverbinder als geräteseitiger Steckverbinder montiert ist, angebunden zu werden oder angebunden zu sein.
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Vorteilhafterweise ist das elektromagnetische Dämpfungselement in einem zwischen einem Innenwandabschnitt des Gehäuses und der zumindest einen Leitung bestehenden Bauraum angeordnet. Ferner bevorzugt füllt das elektromagnetische Dämpfungselement diesen Bauraum zumindest abschnittsweise aus, bevorzugt füllt das Dämpfungselement den Bauraum vollständig aus. So wird für den zusätzlichen EMV-Schutz am wenigsten Masse benötigt, was insbesondere bei der üblichen späten Integration von zusätzlichem EMV-Schutz ein entscheidender Aspekt ist.
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Je nach Ausführungsform ist vorgesehen, dass das elektromagnetische Dämpfungselement die Leitung nicht berührt oder alternativ die zumindest eine Leitung zumindest abschnittsweise berührt und abschnittsweise nicht berührt. Durch eine zusätzliche Schicht des Dämpfungselements an dessen Oberfläche kann vorgesehen sein, dass ein Kern des Dämpfungselements die Leitung nicht berührt, aber in unmittelbarer Nähe an dessen Umfang zumindest abschnittsweise, angeordnet ist.
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Ferner ist das elektromagnetische Dämpfungselement ein Formkörper, der aus wenigstens einem magnetischen Material geformt ist. Bei dem magnetischen Material handelt es sich insbesondere um ein weichmagnetisches Material. Diese Ausführungsform erlaubt es, insbesondere hochfrequente elektromagnetische Störungen zu unterdrücken, indem das Filterelement für höhere Frequenzen einen höheren Widerstand darstellt. Das Filterelement wirkt demnach für die elektromagnetische Störung wie eine Drossel.
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Bevorzugt ist das magnetische Material Ferrit oder eine ferritische Verbindung, insbesondere Mangan-Zink-Ferrit oder Nickel-Zink-Ferrit. So kann das magnetische Material ein nanokristalliner Ferrit sein. In einer beispielhaften Ausführungsform wird ein unter der Handelsbezeichnung Nanoperm bekanntes magnetisches Material verwendet. Nanoperm ist ein Beispiel für eine rascherstarrte Eisenbasislegierung mit sehr feinkörniger kristalliner Struktur. Typische Korngrößen sind 10 Nanometer – daher die Bezeichnung 'nanokristallin'. Diese Struktur ist Ursache für außerordentlich gute weichmagnetische Eigenschaften, die durch Wärmebehandlung unter Einwirkung von äußeren Magnetfeldern in weiten Bereichen einstellbar sind.
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Optional ist das elektromagnetische Dämpfungselement zweilagig, bestehend aus einer inneren Lage und einer äußeren Lage, ausgestaltet. Dabei ist die innere Lage aus dem magnetischen Material und die äußere Lage ein aufgespritzter Kunststoff oder eine Blechummantelung, um das magnetische Material von mechanischen Beschädigungen zu schützen.
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Ferner kann eine Außenkontur des elektromagnetischen Dämpfungselements einen zumindest abschnittsweise runden und ergänzend oder alternativ einen zumindest abschnittsweise eckigen Querschnitt aufweisen. Zielführend kann eine Anpassung an eine Innenkontur des das Dämpfungsmagnet umhüllenden Gehäuses sein, um den darin zur Verfügung stehenden Bauraum optimal zu nutzen und die Länge des Hochvoltsteckverbinders nicht über maßen zu strapazieren. Entscheidend für die EMV-Wirkung des elektromagnetischen Dämpfungselements ist dessen Gewicht, welches sich über das Volumen einstellt.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Kontur des elektromagnetischen Dämpfungselements ist eine Ausformung als Ring, Hohlzylinder oder Quader mit einer im Wesentlichen kreisförmigen, elliptischen oder rechteckigen Aussparung.
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Das elektromagnetische Dämpfungselement kann einen Spalt aufweisen, sodass die durchgeführte Leitung bis auf im Bereich des Spalts umfasst wird und im Bereich des Spalts eine Lücke verbleibt. Die Spaltbreite ist an eine zu filternde Frequenz angepasst und zu dieser Frequenz in einem Toleranzbereich proportional. Vorteilhafterweise wird durch den Spalt erreicht, dass das elektromagnetische Dämpfungselement nicht oder viel später in die Sättigung geht. Dabei kann sich der Spalt von einem Außenumfang oder einer Außenumfangsfläche des elektromagnetischen Dämpfungselements zu einem Innenumfang oder einer Innenumfangsfläche des elektromagnetischen Dämpfungselements erstrecken. Der Innenumfang liegt an der Aussparung des elektromagnetischen Dämpfungselements an. Alternativ kann der Spalt als eine Rinne ausgebildet sein, d.h. er erstreckt sich teilweise vom Außenumfang in Richtung des Innenumfangs oder vom Innenumfang in Richtung des Außenumfangs. Eine Tiefe der Rinne kann beispielsweise mindestens 5% sich in das Material hinein erstrecken, oder mindestens 25% oder 50%. Sowohl durch eine Ausführungsform als ein Spalt oder eine Rinne kann dabei ein Kondensatoreffekt erzielt werden, der einem parallel geschalteten Kondensator entsprechen kann. Tiefe, Breite und Länge einer derartigen Rinne sind an eine zu filternde Frequenz angepasst und zu dieser Frequenz in einem Toleranzbereich proportional.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 bis 4 einen Hochvoltsteckverbinder gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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5 bis 10 ein elektromagnetisches Dämpfungselement gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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11 einen kabelseitigen Steckverbinder gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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12 einen geräteseitigen Steckverbinder gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Moment verursachen manche Komponenten im Hochvoltsystem eines KFZ sehr große Störaussendungen. Es kann sein, dass es notwendig ist diese Störungen mittels eines Filters zu dämpfen. Die zwei Hauptkomponenten eines Filters bestehen aus Kondensatoren und einem elektromagnetischen Dämpfungselement, beispielsweise in Form eines Ferrit-Rings. Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn der Ferrit-Ring in der Nähe des Steckers in dem betroffenen Gerät verortet ist. Im Projekt stellt sich der zur Verfügung stehende Bauraum oft als begrenzender Faktor heraus, sodass folgend eine aus Bauraumsicht optimierte Lösung dargestellt wird, wobei das elektromagnetische Dämpfungselement direkt in den Stecker implementiert wird, wodurch das elektromagnetische Dämpfungselement, beispielsweise der Ferrit, optimal wirken kann und (fast) kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
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Wie dargestellt ist ein Beispiel für ein elektromagnetisches Dämpfungselement ein Ferritring. Durch die Anordnung des Ferritrings im Steckverbinder kann der Ferritring sehr viel kleiner ausgelegt werden und ist somit deutlich günstiger als bei einer bekannten Anordnung zwar in der Nähe des Steckers, aber außerhalb von diesem. Der Ferritring benötigt durch die Anordnung im Steckverbinder weniger Platz, als wenn er als separates Bauteil angebracht wird. Ferner ist keine komplette Neukonstruktion bei Auftreten von EMV-Problemen notwendig, da der Steckverbinder einfach ausgetauscht werden kann.
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Im Gegensatz zur hier vorgestellten Lösung wird im bekannten Stand der Technik ein Filter entweder in ein separates Gehäuse oder in ein HV-Bauteil verbaut. Wird ein Filter nachträglich benötigt, bedeutet dies immer einen sehr großen konstruktiven Aufwand, da der Filter relativ schwer und groß ist. Auch ein Teil der Qualifikation muss durch die nachträgliche Änderung immer wiederholt werden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hochvoltsteckverbinders 100. Der Hochvoltsteckverbinder 100 umfasst zwei Leitungen 102, die jeweils einen Leitungsmantel 104 oder Leitungsschirm 104 aufweisen. Weiterhin umfasst der Hochvoltsteckverbinder 100 ein elektromagnetisches Dämpfungselement 106 sowie ein Gehäuse 108. Im Bereich des elektromagnetischen Dämpfungselements 106 weisen die beiden Leitungen 102 keinen Leitungsmantel 104 auf. Im Bereich des Dämpfungselements 106 sind die Leitungen 102 frei von dem sie ansonsten umhüllenden Leitungsmantel 104.
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In 2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochvoltsteckverbinders 100. In der Darstellung links angeordnet ist ein von einem nicht dargestellten Gehäuse wegweisender Buchsenabschnitt 210, der eingerichtet ist, dass ein passender kabelseitiger Steckverbinder eingesteckt und mit dem dargestellten geräteseitigen Steckverbinder 200 gekoppelt wird. An diesen anschließend ist eine Befestigungsplatte 212 ausgebildet, die vier Durchbrüche 214 aufweist, damit der geräteseitige Steckverbinder 200 beispielsweise an einem Gehäuse (nicht dargestellt) angeschraubt werden kann. An die Befestigungsplatte 212 anschließend ist ein elektromagnetisches Dämpfungselement 106 angeordnet, welches die beiden Leitungen 102 einschließt oder umschließt. Je nach Ausführungsbeispiel weist das Dämpfungselement 106 ein oder zwei Durchbrüche für die Leitungen 102 auf – dies wird in den 5 bis 9 dann deutlicher dargestellt.
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Nicht dargestellt ist ein Teil des Gehäuses 108, der das Dämpfungselement 106 zumindest am Außenumfang mit einschließt. Eine weitere Gehäusewand kann auch von einem Abschnitt eines Gehäuses eines Gerätes ausgebildet sein, an der der geräteseitige Steckverbinder 200 angeordnet ist. So ist dann das Dämpfungselement 106 im montierten Zustand (nahezu) komplett von einem Gehäuse umschlossen.
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Die Darstellung in 3 entspricht weitgehend der Darstellung in 1, wobei der Hochvoltsteckverbinder 100 zusätzlich eine dritte Leitung 102 aufweist, die parallel zu den ersten beiden Leitungen 102 angeordnet ist und wie diese im Bereich des Dämpfungselements 106 keinen Leitungsmantel 104 aufweist. Weiterhin ist ein Gesamtschirm 320 dargestellt, der die Leitungen 102 mit ihrem Leitungsmantel 104 und das Dämpfungselement 106 umschließt. Der Gesamtschirm 320 ist eingerichtet, bis an das Gehäuse, an der der Hochvoltsteckverbinder als geräteseitiger Steckverbinder angeordnet ist, herangeführt und an diesen angeschlossen zu werden.
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4 zeigt wieder eine vereinfachte dreidimensionale Darstellung eines Hochvoltsteckverbinders, ähnlich der Darstellung in 2, sodass auf eine komplette Darstellung der Bezugszeichen verzichtet wird und auf die Beschreibung zu 2 verwiesen wird. Durch gestrichelte, gepunktete Linien sind verschiedene Ausformungen des Dämpfungselements 106 dargestellt. Die durchgezogenen Linien zeigen eine im Wesentlichen quaderförmige Grundform des Dämpfungselements 106 mit zwei kreisförmigen Leitungsdurchbrüchen 430 für die Leitungen 102. Optional ist nur ein, insbesondere elliptischer, Leitungsdurchbruch 430 ausgeformt, der alle Leitungen 102 umschließt. Optional ist die Grundform beispielsweise elliptisch oder kreisförmig, oder es sind zusätzliche Aussparungen für Befestigungsmittel wie beispielsweise Schrauben vorgesehen. Mit den Befestigungsmitteln kann beispielsweise ein geräteseitiger Steckverbinder 200 mit einem Gehäuse eines nicht dargestellten Geräts verbunden werden.
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5 mit 10 zeigen Beispiele für eine Formgebung des Dämpfungselements 106. Diese können miteinander kombiniert werden und somit an den entsprechenden Hochvoltsteckverbinder (nicht dargestellt) angepasst werden. So ist in 5 ein ringförmiges Dämpfungselement 106 mit einem kreisförmigen Leitungsdurchbruch 430, in 6 ein elliptisches Dämpfungselement 106 mit einem elliptischen Leitungsdurchbruch 430 und in 7 ein elliptisches Dämpfungselement mit zwei kreisförmigen Leitungsdurchbrüchen 430 dargestellt. Das Dämpfungselement 106 in 8 weist eine im Wesentlichen quaderförmige oder quadratische Grundform mit einem elliptischen Leitungsdurchbruch 430 und Aussparungen 835 an den Ecken auf. Die Aussparungen 835 erlauben eine maximale Größe oder Gewicht in einem bereitstehenden Bauraum, wobei zur Befestigung des Gehäuses bzw. des Hochvoltsteckverbinders an einem Gerät oder dessen Gehäuse entsprechende Aussparungen 835 vorgesehen sind. Das Ausführungsbeispiel in 9 erlaubt eine spätere Montage, da die Leitungen nicht durchgeführt werden müssen, sondern vielmehr eine U-Form erst nach erfolgter Montage durch Verdrehen eines Hebels 940 geschlossen wird.
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Eine weitere Besonderheit ist in 10 dargestellt mit einem Spalt 1050. Eine Breite des Spalts 1050 ist an eine zu dämpfende Frequenz oder ein zu dämpfendes Frequenzband angepasst.
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11 zeigt einen kabelseitigen Steckverbinder 1100 als Variante eines Hochvoltsteckverbinders 100. In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist auch in diesen ein Dämpfungselement 106 integriert. 12 zeigt wiederum eine Explosionsdarstellung eines geräteseitigen Steckverbinders 200 mit einem Dämpfungselement 106, wobei zu erkennen ist, wie das Gehäuse 108 auch das Dämpfungselement 108 umschließt.
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Die dargestellten Ausführungsformen stellen eine Lösung für die EMV-Anforderungen und auch für die sogenannten Dämpfungsanforderungen dar.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der kabelseitige Steckverbinder im Bereich der Kabel- oder Leitungsdurchführung mittels zweckmäßigerweise eines geflechtartigen Gesamtschirmes versehen, der mit dem metallischen Gehäuseteil des kabelseitigen Steckgehäuses direkt verbunden ist. Das Gesamtschirmgeflecht wiederum ist zweckmäßigerweise mit einem Schrumpfschlauch umgeben. Das Gesamtschirmgeflecht ermöglicht im Gegensatz zu einer getrennten Abschirmung der einzelnen Leitungen des Kabels eine Reduzierung des Leitungsabstandes, was wiederum zu einer Reduzierung der Baugröße der gesamten HV-Steckverbindung führt. Durch die Abschirmung mittels des Gesamtschirmgeflechtes weist die HV-Steckverbindung besonders gute EMV-Eigenschaften auf, was insbesondere im Kraftfahrzeugbereich (Hybrid- oder Elektroantriebe) besonders vorteilhaft ist. Auf der Innenseite des geräteseitigen Steckverbinders (zum Geräteinneren weisende Seite des Steckverbinders) wird um die leistungsführenden HV-Leitungen herum ein Ferrit zur Gewährleistung einer Filterfunktion eingefügt, so sind die EMV-Eigenschaften weiter verbessert. Ein Gesamtschirm wird um den Ferrit herumgeführt, im Bereich des Ferrits weisen die einzelnen Leitungen keinen separaten Schirm auf.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Hochvoltsteckverbinder
- 102
- Leitung
- 104
- Leitungsmantel, Leitungsschirm
- 106
- elektromagnetisches Dämpfungselement, Ferrit, Ferritring
- 108
- (elektrisch isolierendes) Gehäuse
- 200
- geräteseitiger Steckverbinder
- 210
- Buchsenabschnitt
- 212
- Befestigungsplatte
- 214
- Durchbruch, Befestigungsloch
- 320
- Gesamtschirm
- 430
- Leitungsdurchbruch
- 835
- Aussparung
- 940
- Hebel
- 1050
- Spalt
