Optimierte Stromtragfähigkeit: Brücke in die elektrische Zukunft

Die fertigende Industrie steht vor der Herausforderung, ihre Systeme an steigende Leistungsanforderungen
anzupassen – ohne dabei mehr Platz zu brauchen. Wie wir bei HARTING durch gezielte Designoptimierungen und moderne Technologien die Effizienz und Leistungsfähigkeit der elektrischen Verbindungen verbessern, lesen Sie hier.

Die All Electric Society benötigt elektrische Energie, die über die Power-Ader sowohl zwischen als auch innerhalb der Sektoren bereitgestellt wird. Für den Übergang zu elektrifizierten Systemen sind in vielen Fällen höhere Leistungsniveaus erforderlich, oder es müssen Systeme mit mehr Leistung neu aufgebaut werden.

Ein anschauliches Beispiel aus dem Alltag ist die Erhöhung der Bordnetz-Leistung im Auto. Diese Maßnahme vereinfacht die Implementierung sogenannter „Break by Wire“- und „Steer by Wire“-Anwendungen. Ersteres bezeichnet ein elektrisches Bremssystem, bei dem die Bremskräfte elektronisch und nicht mechanisch, also über Bremsleitungen, übertragen werden. Zweiteres meint ein elektronisches Lenksystem, bei dem die Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Rädern ebenfalls nicht mechanisch, wie durch Lenkstangen, erfolgt, sondern über elektrische Signale. Auch optimiert diese Leistungssteigerung den Ladevorgang von Elektroautos. Hier müssen in kurzer Zeit große Energiemengen über einen Steckverbinder ins Fahrzeug übertragen werden, damit das Elektroauto beim „Tanken“ ähnlich leistungsstark ist wie ein Verbrenner. Solche Beispiele finden sich auch in anderen Sektoren.

Trotz des höheren Energiebedarfs bleibt der verfügbare Platz jedoch unverändert. Gleichzeitig erfordert eine effiziente Installation, Wartung oder der Betrieb den Einsatz von Steckverbindern. Diese müssen folglich in der Lage sein, eine höhere Stromtragfähigkeit bei gleichbleibender Baugröße zu bieten.

Hier kommt die Stromtragfähigkeit ins Spiel. Sie bezeichnet den maximalen Strom, den ein Steckverbinder für einen bestimmten Kabeldurchmesser übertragen kann. Diese Kapazität ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen der erzeugten Wärme aufgrund des elektrischen Widerstands und der abgeführten Wärme. Letztere wird sowohl durch Strahlung als auchüber das Kabel abgeleitet. Daher lassen sich höhere Stromtragfähigkeiten mit größeren Steckverbindern und Kabeln leichter realisieren, was jedoch in vielen Anwendungen keine Option darstellt. In einigen Fällen bietet die aktive Kühlung der Steckverbinder oder der Einsatz alternativer Kunststoffmaterialien, die höhere Temperaturen zulassen, eine Lösung.

Eine weitere Alternative besteht in der Reduzierung des elektrischen Widerstands. Dadurch wird verhindert, dass sich Wärme entwickelt. Das verbessert zudem die Energieeffizienz. Letztlich gibt es drei wesentliche Ansatzpunkte zur Verbesserung der Stromtragfähigkeit: den Anschluss des Kabels, das Kontaktmaterial und die Steckstelle selbst.

Für den Kabelanschluss existieren verschiedene Lösungen.Eine gängige Technik im Energiebereich ist das „Crimpen“, also das Herstellen einer mechanischen Verbindung, die sowohl elektrischen Kontakt als auch mechanische Festigkeit bietet.

Ein gut ausgeführter Crimp verringert durch die plastische Verformung des Kabels und des Kontaktbereichs den Durchgangswiderstand erheblich. Hier sind das richtige Crimpwerkzeug und die korrekten Parameter entscheidend. Mit Blick auf das Kontaktmaterial ist vor allem auch die Legierung von Interesse. Denn diese kann die Leitfähigkeit maßgeblich erhöhen. Als Grundmaterial wird in der Regel Kupferlegierung verwendet.

Der Widerstand im Steckbereich wird durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst. Die Anzahl und Größe der Kontaktpunkte lassen sich durch das Design optimieren: je größer die Kontaktfläche, desto geringer der Widerstand. Die Normalkraft – also die Kraft, mit der die Steckpartner aufeinander gedrückt werden – spielt ebenfalls eine große Rolle. Eine höhere Normalkraft erhöht die effektive Kontaktfläche. Das führt dazu, dass pro Kontaktpunkt mehr Strom fließen kann. Die Oberflächenwahl unterstützt diesen Effekt. Allerdings erfordert eine höhere Normalkraft auch eine größere Steckkraft, was wiederum den Verschleiß erhöhen kann.

Letztendlich zeigt sich, dass das optimierte Design vieler Parameter die Stromtragfähigkeit insgesamt verbessert. Moderne Simulationstools ermöglichen es uns, die Stromtragfähigkeit bereits in der Designphase zu optimieren, sodass unterschiedliche Designs und Materialien entsprechend ausgewählt und angepasst werden können.