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Elektrischer Vakuumschalter
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Die Erfindung betrifft elektrische Vakuumschalter gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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An~endungsgebiet Die Schalter dienen dazu, elektrische Stromkreise
in Mittelspannungs- und Hochspannungsnetzen zu schließen und geschlossen zu halten
sowie zu unterbrechen und offen zu halten.
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Stand der Technik und Kritik Ein Vakuumschalter nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 ist durch DE-OS 33 02 939 bekannt geworden.
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In einer Ausführung des Erfindungsgegenstandes gemäß Fig. 1 dieser
Druckschrift sind nur die beiden bewegbaren Schaltstücke (12,13) mit je einer Vorrichtung
zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes ausgerüstet. Die zugehörigen feststehenden
Schaltstücke (10,11) sind als kreisförmige Vollscheiben zu beiden Seiten einer das
Schaltgehäuse in zwei Räume (8,9) unterteilenden Wand (7) angeordnet.
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Mit dieser Konstruktion verbinden sich z.B. folgende Nachteile: a)
Das axiale magnetische Feld der bewegbaren Schaltstücke, das jede Kontakt-Vollscheibe
senkrecht durchdringt, erzeugt darin Kreisströme, und das von diesen erzeugte
sekundäre
Magnetfeld schwächt das primäre Magnetfeld.
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b) Der ohmsche Widerstand der feststehenden Schalttsückanordnung summiert
sich aus den Widerständen der beiden Kontaktscheiben (10,11), der Trennwand (7)
und der Obergangsgebiete zwischen Kontaktscheiben und Trennwand; er ist also beträchtlich
und verursacht eine starke Schaltstückerwärmung.
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c) Die Anordnung der Vorrichtung zur Erzeugung eines axialen Magnetfelds
an den bewegbaren Schaltstücken bedeutet eine erhebliche Vergrößerung der zu bewegenden
Schaltstückmasse und damit der Antriebsenergie bei vorgegebenem Verlauf des Schalthubes.
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In einer Ausführungsvariante des Erfindungsgegenstands gemäß den Fig.
4 und 5 sind die feststehenden Schaltstücke (10,11) zu beiden Seiten der Trennwand
(7) mit je einer Vorrichtung zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes ausgerüstet.
Dabei sind in Fig. 4 die bewegbaren Schaltstücke (12,13) als kreisförmige Voll scheiben
ausgeführt, während in Fig. 5 auch die bewegbaren Schaltstücke je eine Vorrrichtung
zur Erzeugung eines axialen Magnetfelds besitzen.
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Diese Schaltstückausführungen nach den Fig. 4 und 5 schliessen folgende
Nachteile ein: a) In den vollen Kontaktscheiben der bewegbaren Schaltstücke gemäß
Fig. 4 ruft das von den feststehenden Schaltstücken erzeugte axiale Magnetfeld Kreisströme
und durch sie ein axiales magnetisches Gegenfeld hervor; es schwächt das primäre
Magnetfeld.
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b) Für die Erregung je eines axialen.Magnetfelds in den Schal träumen
zwischen dem feststehenden (10) und dem bewegbaren (12) Schaltstück auf der einen
Seite der eingebauten Trennwand (7) und dem feststehenden (11) und dem bewegbaren
(12) Schaltstück auf der anderen Seite dieser Wand gemäß Fig. 5 sind 4 vollständige
Erregerkontakte eingesetzt. Das bedeutet gegenüber Fig. 4 den doppelten Aufwand
für das Erregersystem und entsprechend hohe Stromwärmeverluste.
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c) Die Vierfach-Erregeranordnung gemäß Fig. 5 beansprucht zusätzlichen
Konstruktionsraum und der so vergrößerte gesamte dreipolige Schalter dieser Bauart
beansprucht ebenfalls mehr Raum am Einbauort.
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Unabhängig von der konstruktiven Ausführung der Schaltstücke in einem
Schaltgehäuse mit zwei Schal träumen in Serie ist noch folgender grundsätzlicher
Nachteil elektrischer Natur zu vermerken: Einerseits hat man zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit
des Vakuumschalters zwei Schal träume zwischen den Schaltstücken (10,12) und (11,13)
vorgesehen.
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Andererseits verteilt sich die an den offenen Schal träumen anstehende
Spannung ungleichmäßig wegen der noch fehlenden Spannungssteuerung.
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Die inherente Isolierfähigkeit eines Schaltgehäuses mit zwei in Reihe
angeordneten Schal träumen ist also ohne gleichmäßige Spannungsverteilung über diese
Räume nur unvollkommen ausgenützt.
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Aufgabe Der Erfindung liegt im wesentlichen die Aufgabe zugrunde,
die vorstehend genannten Nachteile bei der Erzeugung eines axialen magnetischen
Feldes in einem Vakuumschaltgehäuse mit zwei in Reihe angeordneten Schal träumen
zu vermeiden und außerdem die Konstruktion zu vereinfachen spwie ihren magnetischen
und elektrischen Wirkungsgrad zu verbessern.
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Lösung Die Lösung der gestellten Aufgabe beruht auf der technischen
Ausnützung folgender physikalischer Geyebenheit: Bei einer symmetrisch aufgebauten
stromdurchflossenen Spule bilden sich in ihren Stirnräumen Magnetfelder identischer
Form aus. Bringt man an den Stirnflächen dieser Spule je einen Kontakt- und Elektrodenkörper
an, so ergeben sich gemeinsam mit je einem kooperierenden schaltbaren Kontakt- und
El ektrodenkörper
zwei Schal träume; darin wirken die magnetischen
Spulenstirnfelder während der Stromunterbrechung auf das Schaltplasma ein.
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Weisen nun zwei feststehende Schaltstücke die Grundform einer flachen
kreiszylindrischen Scheibe auf, sind in diese Scheiben Windungskörper integriert
und liegen diese Doppelfunktionskörper dicht aufeinander, dann ist die vorstehend
beschriebene Spule technisch verwirklicht; sie erregt ein Magnetfeld, das sonst
nur erzeugt wird, wenn sowohl das feststehende als auch das bewegbare Schaltstück
mit je einer Magnetisierungswindung ausgestattet sind.
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Daher können die bewegbaren Schaltstücke in Leichtbauweise als windungslose
einfache Scheibenkörper ausgeführt werden; zur Vermeidung von sekundären entmagnetierenden
Kreisströmen sind sie vorteilhaft mit engen Spalten versehen.
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Die Schal träume zwischen den feststehenden und bewegbaren Schaltstücken
überbrücken entsprechend bemessene Widerstände zur gleichmäßigen Aufteilung der
Einschwingspannung und der anschließenden Spannungen im Netzbetrieb.
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Diese und alle weiteren spezifischen Merkmale des erfindungsgemäßen
Vakuumschal ters sind im ersten Patentanspruch sowie in den nachfolgenden Patentansprüchen
festgelegt.
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Erzielbare Vorteile Konstruktiv einfaches, fertigungsfreundliches
und vor allen sehr niedrig bauendes feststehendes Doppelschaltstück; Konstruktiv
einfache und geringe zu beschleunigende Massen aufweisende bewegbare Schaltstücke;
Kleine Schaltgehäuse-Höhe; Erhöhter Wirkungsgrad der Magnetisierung durch das feststehende
Doppelschaltstück; Keine Magnetfeldschwächuny durch die windungslosen bewegbaren
Schaltstücke; Geringer elektrischer Reihenwiderstand der Schaltstücke
und
dementsprechend geringe Stromwärmeverluste; Hohe dielektrische Ausnützung der Schalträume.
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Ausführungsbeispiele Fig. 1: Zusammenstellungszeichnung des erfindungsgemäßen
längsgeschnittenen Schaltgehäuses; Fig. 2: Draufsicht auf den unteren feststehenden
Erregerkontakt mit zentralem Kontaktkörper und diesen umgebenden einseitig offenen
Windungskörpern; Fig. 3 Seitenansicht der entlang der horizontalen Mittellinie geschnittenen
feststehenden Erregerkontakte einschließlich der Befestigungsvorrichtung; Fig. 4:
Draufsicht auf den oberen feststehenden Erregerkontakt mit zentralem Kontaktkörper
und diesen umgebenden einseitig offenen Windungskörpern; Fig. 5: Draufsicht auf
den unteren feststehenden Erregerkontakt mit zentralem Kontaktkörper und diesen
umgebenden geschlossenen Windungskörpern; Fig. 6: rechts der vertikalen Mittellinie:
Windungs- und Verbindungskörper in der Draufsicht; links der vertikalen Mittellinie:
Seitenansicht der entlang der horizontalen Mittellinie geschnittenen feststehenden
Erregerkontakte einschließlich der Befestigungsvorrichtung; Fig. 7: Draufsicht auf
den oberen feststehenden Erregerkontakt mit zentralem Kontaktkörper und diesen umgebenden
geschlossenen Windungskörpern.
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Zu Fig. 1 Wie das Schnittbild zeigt, wird das Schaltgehäuse A im wesentlichen
gebildet von dem an beiden Stirnseiten mit kreisringförmigen Ansätzen versehenen
Metallzylinder (10), den zu beiden Seiten aufgesetzten Isolierstoff-Durchführungen
(11,18) und den Abschlußplatten (12,17),
Dieses Schaltgehäuse ist
für eine Verwendung in metaligekapselten gasisol ierten Schaltanlagen vorgesehen.
Daher können seine Isolierstoff-Durchführungen sehr kurz bemessen werden, was zur
Wirtschaftlichkeit erheblich beiträgt; siehe auch DE-OS 33 47 741.
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Die Nennspannung des hier dargestellten Schaltgehäuses beträgt mindestens
72,5 kV.
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Mit zwei in Reihe geschalteten Schaltgehäusen solcher Art -hier jedoch
nicht mehr dargestellt - läßt sich eine Ne-nnspannung von 145 kV beherrschen.
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Ein beträchtlicher Vorteil bietet sich für derartige bereits in das
Gebiet der Hochspannung vordringende Schaltgehäuse dadurch, daß sie praktisch aus
36 bis 38 kV Schaltgehäusen der laufenden Fertigung zusammengebaut werden können;
der ad hoc Entwicklungsaufwand bleibt somit relativ klein.
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Es kann auch nützlich sein, die Spannungsverteilung über die beiden
Schal träume kapazitiv zu steuern.
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Von besonderer Bedeutung für ein günstiges Gesamtverhalten des Schalters
ist jedoch ein diffuser Stromfluß im Schaltgehäuse, und der bedingt eine optimale
Erzeugung des dafür benötigten axialen Magnetfelds, wie es anschließend besqhrieben
wird.
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Etwa in der Mitte des Schaltgehäuses sind zwei feststehende Schaltstücke
(5,6) dicht übereinander angeordnet; gehalten werden sie von einem zylindrischen
Ring (19) am Innenrand einer durch Rippen (8,9) versteiften Platte (7).
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Die feststehenden Schaltstücke weisen Kontakt- und Windungskörper
auf, wobei diese Windungskörper demselben Windungssinn folgend in Reihe geschaltet
sind. Je ein vertikaler Spalt in der Ansicht der feststehenden Schaltstücke nahe
der Mittellinie zeigt den Ursprung je eines der Windungskörper an. Ober Einzelheiten
dieser Ausführungsform werden die Fig. 2,3 und 4 noch informieren.
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Den feststehenden Schaltstücken stehen im Schaltgehäuse bewegbare
Schaltstücke (3) und (4) gegenüber. Sie sind an den Stromleiterbolzen (1), (2) befestigt
und vorteilhaft
mit Windungskörpern nicht ausgerüstet. Zwischen
so gebildeten Paaren kooperierender Schaltstücke befinden sich die Spalträume (15)
und (16).
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Als gasdichte Schaltkraft-Durchführungen fungieren die Faltenbälge
(14,20). Auf der einen Seite sind sie an je eine Abschlußplatte (12) bzw. (17) angelötet
und auf der anderen Seite direkt an je ein bewegbares Schaltstück (3) bzw. (4).
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Den Innenrand der Abschlußplatten säumen Hülsen (13,21) zur Führung
der bewegbaren Stromleiterbolzen. Der in Fig. 1 nicht dargestellte Schalterantrieb
greift an diesen Stromleiterbolzen an.
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Zu den Fig. 2, 3, 4 Die Zeichnungen in diesen Fig. leiten an, wie
eine vorteilhafte Form der feststehenden Erregerkontakte (5,6) im Schaltgehäuse
nach Fig. 1 hergestellt werden kann. Zu diesem Zweck zeigt die Fig. 2 den unteren
Erregerkontakt. Damit man ihn in der Draufsicht erkennt, ist er um eine in der Zeichenebene
gedachte horizontale Scharnierlinie in diese Ebene geschwenkt, und ebenso der obere
Erregerkontakt (6) in Fig. 4. Zwischen diesen beiden Fig. veranschaulicht Fig. 3
einen Querschnitt durch das Erregerkontaktsystem im eingebauten Zustand.
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Unterer (5) und oberer (6) Erregerkontakt zeigen die Grundform einer
kreizyl indrischen Scheibe. Konzentrische Ringspalte (22) teilen die Scheibenkörper
in zwei Gebiete: Innerhalb der Rinspalte entstehen kreisförmige Kontaktscheiben
(23). Außerhalb der Ringspalte ergibt sich ein kreisringförmiger Teilkörper, den
über den Umfang verteilte radiale Spalte (24) in vier Abschnitte gliedern: es sind
dies die Viertelwindungen (25,26,27,28) an dem unteren Erregerkontakt (5) und (29,30,31,32)
an dem oberen Erregerkontakt (6). Mit den Kontaktscheiben (23) sind die Windungskörper
durch stets gleich ausgeführte Stege (33) verbunden.
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Nun müssen die einzelnen Viertelwindungen noch so in Reihe
geschaltet
werden, daß entlang des Umfangs der Kontaktscheiben (23) vier durchlaufende Halbwindungen
mit demselben Windungssinn entstehen. Das tritt ein, wenn man die freien Stirnseiten
je zweier Viertelwindungen (25,29), (26,30), (27,31) und (28,32) verbindet. Die
Verbindungslinien zwischen den Fig. 2 und 4 mit den eingezeichneten Stromflußpfeilen
verdeutlichen Zusammenhang und Durchströmung des erfindungsgemäß entstandenen Spulenkörpers.
Als Verbindungselemente weran den offenen Enden der Windungskörper (29,30,31,32)
vertikal angesetzte Zapfen (34) verwendet; die Strichelung deutet sie an. An diese
Zapfen sind die offenen Stirnseiten der korrespondierenden Windungskörper (25,26,27,28)
angelötet.
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Die elektrische Abgrenzung der Erregerkontakte bewirkt eine dazwischen
angeordnete Kreisscheibe (35) aus elektrisch relativ schlecht leitendem Material,
wie in Fig. 3 zu sehen; für ihre Wandstärke waren Gründe der zeichnerischen Deutlichkeit
mehr bestimmend als konstruktive. In der Fig. 3 sind ebenfalls die Zapfen (34) erkennbar.
Außerdem wird aus dieser Fig. die Befestigung der Erregerkontakte in der Haltevorrichtung
(7,8,9,19) innerhalb des nicht dargestellten Schaltgehäuses ersichtlich.
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Mit dem dargestellten Erregerkontaktsystem möge gerade ein Strom unterbrochen
werden. Den diffusen Stromfluß im Vakuum zwischen den feststehenden und den nicht
dargestellten bewegbaren Schaltstücken deuten in Fig. 3 die zu beiden Seiten der
feststehenden Erregerkontakte eingezeichneten nach oben gerichteten Pfeile an. Aus
dem unteren Schaltraum kommend münden die Teilströme der diffusen Vakuumentladung
in die untere Kontaktscheibe (23) und fließen über die Stege (33) in die Viertelwindungen,
wo ihre Existenz ebenfalls durch Pfeile markiert ist. Die radialen Spalte (36) in
den Kontaktscheiben (23) sollen darin einen radialen Stromfluß begünstigen und Wirbelströme
verhindern; letzterem Zweck dienen auch die zentralen Spalte (37). Von den Viertelwindungen
des Erregerkontakts (5) gelangen die Viertel ströme
durch die Zapfen
(34) in die Viertelwindungen des Erregerkontakts (6), und von dort über die Stege
(33) in die zugehörige Kontaktscheibe (23). Aus der Oberfläche dieser Kontaktscheibe
austretend setzt sich der Stromfluß wieder als diffuse Vakuumentladung fort.
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Im stromdurchflossenen Zustand erregt die soeben beschriebene Doppelwindungsspule
ein Magnetfeld, dessen Feldlinien die Kontaktscheiben (23) senkrecht durchstoßen.
Fli.eßen die Windungsströme in Pfeilrichtung, dann ist die Richtung des erregten
Magnetfelds durch den zugehörigen Richtungspfeil definiert.
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An Stelle des hier verwendeten Grundbausteins der Doppelfunktionsscheibe
kann vorteilhaft auch ein Erreger- und Kontaktsystem herangezogen werden, das aus
vier eine Vollwindung bildenden Teilwindungen besteht, von denen eine jede sich
zu einer Kontaktfläche erweitert; Einzelheiten zu dieser Doppelfunktionswindung
an sich findet man in DE-OS 34 01 497.
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Zu den Fig. 5, 6, 7 Nach der Bauanleitung zu einem Erregerkontaktsystem
für die Erzeugung eines einzelnen zentralen Magnetfelds, soll nachfolgend erläutert
werden, wie sich ein ebenfalls sehr flach bauendes feststehendes Doppelkontaktsystem
herstellen läßt für die Erregung einer Mehrzahl von Magnetfeldern mit wechselnden
Richtungen senkrecht zu den Kontaktflächen. Grundbaustein ist wieder ein Scheibenkörper
mit der Doppelfunktion eines Kontakt- und Windungskörpers. Um die Draufsicht zu
ermöglichen, wird die Aufklappmethode beibehalten, d.h. unterer und oberer Erregerkontakt
werden um eine horizontale Scharnirel inie in die Zeichenebene aufgeklappt.
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Der untere, (5) in Fig. 5, und der obere, (6) in Fig. 7, Erregerkontakt
sind identisch ausgeführt und gegeneinander um 90 Grad gedreht.Ein konzentrischer
Ringspalt (38) unterteilt die Scheibenkörper in zwei Gebiete: innerhalb des
Ringspalts
bildet sich der Kontaktkörper (39). Durch zwei um 180 Grad versetzte Stege (40,41)
bzw. (56,57) sind diese flachen Kontaktkörper mit den außerhalb des Ringspalts liegenden
kreisringförmigen Teilkörpern (42,43) verbunden.
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Wie schon die Stromflußpfeile an den Kontakt- und Windungskörpern
anzeigen, ist durch die Unterteilung der Scheiben körper der Erregerkontakte (5,6)
der Aufbau von je vier die Scheibenquadranten umgebenden Vollwindungen weit fortgeschritten.
Den Abschluß dieser Vollwindungsansätze besorgt der in Fig. 6 rechts von der Mittellinie
dargestellte Windungs- und Verbindungskörper (58); er besteht aus zwei sich kreuzenden
Schienen (44,45) mit den Endansätzen (46,47,48, 49). An den durch entspringende
und einmündende Strompfeile gekennzeichneten Stromübergangsstellen (52,53) bzw.
(50,51) sind die Windungskörper mit den Schienenansätzen verbunden.
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Damit haben sich an jedem der beiden Scheibenkörper je vier Vollwindungen
herauskristallisiert. Z.B. verläuft in Fig. 5 eine davon wie folgt: Quadrant der
Kontaktscheibe (39) -Steg (40) - Viertelkreisring (43) - Stromübergangsstelle (51)
- Ansatz (46) - Halbschiene (44) bis zur Kreuzung.
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Mit dieser ersten Vollwindung ist in Reihe geschaltet die folgende
Vol lwindung in Fig. 6, 7: von der Kreuzung nach links Halbschiene (45) - Ansatz
(49) - Stromübergangsstelle (52) - Viertel kreisring (42) - Steg (56) - Quadrant
der Kontaktscheibe (39). Die beiden anderen durch den unteren und oberen Erregerkontakt
geformten und in Reihe geschalteten Vollwindungen ergeben sich analog.
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Während einer Stromunterbrechung, die auch den Fig. 5, 6, 7 zugrunde
liegt, fließt der Strom entlang der durch Pfeile markierten Pfade. Ein solcher Stromfluß
erzeugt in jedem Erregerkontakt vier Magnetflüsse. Ihre Feldlinien treten senkrecht
in die Kontaktfläche ein (durch Kreise mit Kreuzen symbolisiert) und verlassen sie
ebenso (durch Kreuze mit Punkten symbolisiert). Die Richtungen der Feldlinienbündel
wechseln von Quadrant zu Quadrant. Magnetflüsse mit derselben Richtung im unteren
und oberen Erregerkontakt befinden sich stets in demselben Quadranten der Kontaktscheiben
(39)
und addieren sich. In den Schal träumen zwischen den feststehenden
Erregerkontakten (5,6) und den hier nicht dargestellten bewegbaren Kontakten ohne
Magnetisierungsvorrichtung entsteht vorteilhaft ein Magnetfeld etwa derselben Stärke
wie es erzeugt werden würde, wenn gemäß dem nachteiligen Stand der Technik sowohl
das feststehende als auch das bewegbare Schaltstück mit magnetisierenden Windungen
ausgestattet wären.
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In Fig. 6 ist links der Mittellinie die gesamte Erregerkontaktanordnung
im Schnitt zu sehen. Weiter erkennt man die durch Rippen (8,9) versteifte Tragplatte
(7) innerhalb des nicht dargestellten Schaltgehäuses. Die Scheiben (54,55) grenzen
die Kontaktscheiben (39) von den Verbindungsschienen (44,45) elektrisch ab. Entsprechend
der angenommenen Stromunterbrechung sind an der Ober- und Unterseite der feststehenden
Erregerkontakte nach oben gerichtete Pfeile eingezeichnet.
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Sie sollen symbolisieren den diffusen Stromverlauf im Vakuum sowie
den Eintritt des Stroms in die bzw.seinen Austritt aus der Kontaktscheibe.