DE3610245A1 - Contact arrangement for vacuum switches having an axial magnetic field, and a method for producing the associated contact elements - Google Patents
Contact arrangement for vacuum switches having an axial magnetic field, and a method for producing the associated contact elementsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld, deren Kon taktstücke scheibenförmige Kontaktkörper enthalten, wobei die Kontaktkörper auf Kontaktträger aufgelötet sind und Mittel zur Verminderung von Wirbelströmen aufweisen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf Verfahren zur Herstellung der zugehörigen Kontakt stücke.The invention relates to a contact arrangement for vacuum switches with axial magnetic field, whose con beats contain disc-shaped contact bodies, the contact body being soldered onto the contact carrier are and means of reducing eddy currents exhibit. The invention also relates to Process of making the associated contact pieces.
Mit der zunehmenden Verbreitung des Vakuumschaltprinzips im Mittelspannungsbereich wird die Beherrschung höherer Ausschaltströme gefordert. Auch Ströme oberhalb von 40 kA sollen sicher abgeschaltet werden, wobei zugleich angestrebt wird, die Außenabmessungen der Schaltröhre beizubehalten oder zu verkleinern. Es wurde eine Viel zahl spezieller Kontaktgeometrien vorgeschlagen, die den Schaltstrom in der Nähe der Kontaktkörper in azimu taler Richtung führen. Hierdurch wird während des Schal tens zwischen den Kontaktstücken ein axiales Magnetfeld erzeugt, welches einen über die gesamte Kontaktfläche gleichmäßig diffus verteilten Schaltlichtbogen bewirkt.With the increasing spread of the vacuum switching principle mastery becomes higher in the medium voltage range Breaking currents required. Even currents above 40 kA should be safely switched off, at the same time is aimed for, the outer dimensions of the switching tube maintain or downsize. It became a lot proposed a number of special contact geometries the switching current near the contact body in azimu lead direction. This will during the scarf an axial magnetic field between the contact pieces generates which one over the entire contact area evenly diffusely distributed switching arc.
Bei derartigen Kontaktkonfigurationen mit axialem Magnetfeld tritt generell folgendes Problem auf: Durch die zeitliche Änderung des Stromes in der azimutalen Stromlaufbahn werden in geschlossenen, ringförmigen Kon taktträgerböden, in scheibenförmigen Kontaktkörpern oder auch in Kontaktringen Wirbelströme induziert. Derartige Wirbelströme erzeugen Sekundär-Magnetfelder, welche das axiale Magnetfeld in der Amplitude schächen und bezüg lich seiner Phasenlage gegenüber dem durch den Schalter fließenden Strom verschieben. Die Phasenverschiebung des axialen Magnetfeldes bewirkt aber, daß während und nach dem Nulldurchgang des Stromes ein erhebliches axiales Restmagnetfeld erhalten bleibt. Dieses Magnet feld verhindert das schnelle Abströmen der noch vorhande nen Ladungsträger aus dem Kontaktspalt und begünstigt ein unerwünschtes Wiederzünden des Lichtbogens.With such contact configurations with axial Magnetic field generally has the following problem: By the temporal change of the current in the azimuthal Current tracks are in closed, ring-shaped cones tact carrier bases, in disc-shaped contact bodies or eddy currents also induced in contact rings. Such Eddy currents generate secondary magnetic fields which weaken and reference axial magnetic field in amplitude Lich its phase position compared to that by the switch shift flowing current. The phase shift of the axial magnetic field causes that during and after the zero crossing of the current a considerable one axial residual magnetic field is retained. This magnet field prevents the rapid drainage of the remaining NEN carrier from the contact gap and favors unwanted reignition of the arc.
Vom Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur Vermeidung von Wirbelströmen bei Vakuumschaltern mit axialem Magnetfeld bekannt. Beispielsweise ist in der DE-PS 24 43 141 eine Kontaktanordnung beschrieben, bei der vier hakenförmig radial und azimutal verlaufende Stromleiter zur Erzeugung des axialen Magnetfeldes vor handen sind und der scheibenförmige Kontaktkörper zur Vermeidung von Wirbelströmen radial geschlitzt ist. Wei terhin ist aus der DE-OS 32 31 593 ein Aufbau eines Kon taktes aus azimutalen Stromleitern bekannt, die durch eine mehrfache, gleichsinnige Schlitzung eines Topf kontaktes gebildet werden, auf den eine mit radialen Schlitzen versehene Kontaktscheibe als Kontaktkörper aufgelötet ist. Darüber hinaus wird in der EP-A-00 55 008 der Verlauf von Stromleitern zur Magnet feldausbildung dargestellt, wobei der Strom in der Kon taktscheibe vielfach mäanderhaft in der Lichtbogenebene verläuft und der Kontaktkörper durch breite Schlitze in mehrere Teile unterteilt ist.Various solutions are available from the prior art Avoiding eddy currents with vacuum switches axial magnetic field known. For example, in the DE-PS 24 43 141 described a contact arrangement, at the four hook-shaped radial and azimuthal Current conductor for generating the axial magnetic field are available and the disc-shaped contact body Avoiding eddy currents is radially slotted. Wei terhin is from DE-OS 32 31 593 a structure of a con clocks known from azimuthal conductors through a multiple slotting of a pot in the same direction contact are formed on the one with radial Slotted contact disc as contact body is soldered on. In addition, in the EP-A-00 55 008 the course of current conductors to the magnet Field training shown, the current in the Kon clock disk often meandering in the arc plane runs and the contact body through wide slots is divided into several parts.
In der Fachliteratur (beispielsweise "IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems" (1980), Seite 2079 bis 2085) wird ausgeführt, unter welchen Voraussetzungen Schlitze zur Wirbelstromvermeidung in der dem Lichtbogen ausgesetzten Kontaktscheibe benötigt werden, wobei in der Praxis durchweg von der Notwendigkeit der Schlitze ausgegangen wird.In the specialist literature (for example "IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems "(1980), pages 2079 to 2085) is carried out under which conditions Eddy current avoidance slots in the arc exposed contact disc are required, whereby in practice consistently of the need for slots is assumed.
Nachteilig beim Stand der Technik ist, daß wegen der breiten radialen Schlitze in der dem Lichtbogen zuge wandten Kontaktoberfläche an deren Kanten bevorzugt Kathodenfußpunkte ansetzen, welche durch thermische Überhitzung zu Neuzündungen führen können. Darüber hinaus kann beim Stand der Technik die Schlitzung der Scheiben nur bis etwa einem Drittel des Kontaktscheiben durchmessers erfolgen, um die Stabilität des Kontakt körpers zu erhalten. Wegen der fehlenden Schlitzung im zentralen Bereich der Kontaktstücke sind die dort flie ßenden Wirbelströme voll wirksam.A disadvantage of the prior art is that because of wide radial slots in the arc turned preferred contact surface on the edges Apply cathode base points, which are caused by thermal Overheating can lead to reignitions. About that in addition, the slitting of the prior art Disks only up to about a third of the contact disks diameter to ensure the stability of the contact to maintain the body. Because of the missing slit in the The central area of the contact pieces is the flow there eddy currents are fully effective.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Kontaktstücke für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld zu schaffen, bei denen Wirbelströme und damit gekoppelte axiale Rest magnetfelder im Stromnulldurchgang weitgehend verhindert werden, ohne daß störende Schlitze auf der Kontaktfläche des Kontaktkörpers angebracht werden müssen.The object of the invention is therefore to provide contact pieces for Create vacuum switch with axial magnetic field at which eddy currents and coupled axial rest magnetic fields largely prevented in the zero current crossing without annoying slits on the contact surface of the contact body must be attached.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Spezielle Ver fahren zur Herstellung der zugehörigen Kontaktstücke sind in den Ansprüchen 15 bis 17 angegeben.The object of the invention is through the features of Claim 1 solved. Advantageous further training are specified in the subclaims. Special ver drive to manufacture the associated contact pieces are given in claims 15 to 17.
Gemäß der Erfindung wird also vorgeschlagen, in Axial feld-Kontaktsystemen solche Kontaktkörper einzusetzen, die eine Verminderung der Wirbelströme dadurch bewirken, daß in pulvermetallurgisch hergestellten Kontaktkörpern zumindest auf seiner Rückseite radiale Bereiche aus einem Material mit deutlich geringerer elektrischer Leitfähigkeit als die des Grundmaterials eingebracht sind. Dies kann beim Herstellen üblicher Kontaktstücke nach dem Sintertränkverfahren in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß durch Einbau entsprechender Materialien in das Tränkgerüst Stege stark herabgesetzter elektrischer Leitfähigkeit erzeugt werden. Diese Leitfähigkeitssprün ge führen zu einer Aufteilung des Kontaktkörpers in ein zelne stromführende Segmente und stellen eine wirksame Maßnahme zur Wirbelstromreduzierung dar.According to the invention it is therefore proposed in axial field contact systems to use such contact bodies, which reduce eddy currents, that in powder metallurgy manufactured contact bodies radial areas at least on its back a material with significantly lower electrical Conductivity introduced as that of the base material are. This can be the case when producing conventional contact pieces after the sintering process in a simple way be done by installing appropriate materials in the drinking troughs bridges of greatly reduced electrical Conductivity are generated. This jump in conductivity ge lead to a division of the contact body into one individual current-carrying segments and represent an effective Measure for eddy current reduction.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Aus führungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.Further details and advantages of the invention emerge from the following figure description of Aus management examples in connection with the drawing with the claims.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine Topfkontaktanordnung für ein Vakuumschaltge Tät mit axialem Magnetfeld in Schnittdarstellung, Fig. 1 is a contact arrangement for a pot Vakuumschaltge Tät with an axial magnetic field in sectional view,
Fig. 2 und Fig. 3 perspektivische Darstellungen der zugehörigen Kontaktkörper mit leitfähigkeitsmindernden Bereichen und Fig. 2 and Fig. 3 perspective views of the associated contact body with conductivity reducing areas and
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines solchen Kontaktkörpers. Fig. 4 is a plan view of another embodiment of such a contact body.
In Fig. 1 besteht ein Kontaktstück 1 eines Vakuumschal ters aus einem topfartigen Kontaktträger 2 mit schräg umlaufender Schlitzung 3. Das Gegenkontaktstück 1′ weist in dem entsprechenden Kontaktträger 2′ eine gegenüber der Schlitzung 3 gleichsinnige Schlitzung 3′ in Achs richtung auf, so daß durch den Stromfluß ein axiales Magnetfeld entsteht. Zum Kontaktträger 2 bzw. 2′ ist ein Kontaktbolzen 4 bzw. 4′ aus Kupfer od. dgl. geführt. lm Kontaktträger 2 bzw. 2′ ist ein Stützkörper 5 bzw. 5′ aus elektrisch schlecht leitendem Material, beispiels weise Chrom/ Nickel-Stahl in Doppel T-Form, eingefügt.In Fig. 1 there is a contact piece 1 of a vacuum scarf age from a pot-like contact carrier 2 with obliquely circumferential slit 3rd The mating contact piece 1 'has in the corresponding contact carrier 2 ' in relation to the slot 3 in the same direction slot 3 'in the axial direction, so that an axial magnetic field is created by the current flow. To the contact carrier 2 or 2 'is a contact pin 4 or 4 ' made of copper or the like. lm contact carrier 2 or 2 'is a support body 5 or 5 ' made of electrically poorly conductive material, for example chrome / nickel steel in double T-shape, inserted.
Auf dieser Anordnung befindet sich der eigentliche, scheibenförmige Kontaktkörper 10, 20 oder 30 aus ge eignetem Kontaktmaterial, beispielsweise einem CuCr-Werkstoff mit 50% Cr. Beim Stand der Technik besteht der Kontaktkörper üblicherweise aus einer Scheibe, in die vom Umfang ausgehend radial bis etwa zwei Drittel zum Mittelpunkt Schlitze eingebracht sind. Das Zentrum der Scheibe kann nicht geschlitzt werden, um eine hinreichende Stabilität zu gewährleisten.On this arrangement there is the actual, disk-shaped contact body 10 , 20 or 30 made of suitable contact material, for example a CuCr material with 50% Cr. In the prior art, the contact body usually consists of a disk, into which slots are made radially from the circumference up to approximately two thirds of the center. The center of the disc cannot be slotted to ensure sufficient stability.
In Fig. 2 und 3 sind Kontaktkörper 10 und 20 dargestellt, die beispielsweise im Sintertränkverfahren durch Trän kung eines Chromgerüstes mit flüssigem Kupfer herge stellt werden. Durch das pulvermetallurgische Ferti gungsverfahren solcher Scheiben 10 bzw. 20 können be reits gleichzeitig mit der Herstellung des Formteiles radiale Bereiche, beispielsweise speichen- oder stern förmig, als Stege aus einem Material geringerer Leit fähigkeit als die des Grundmaterials erzeugt werden. Zur Herstellung von Kontaktkörpern entsprechend Fig. 2 und 3 werden in die Pulverschüttung segmentartige Pul verbereiche solcher Materialien eingebracht, die beim nachfolgenden Tränkprozeß zu den gewünschten Bereichen geringer Leitfähigkeit führen. Das Schichten von unter schiedlichen Pulvern kann beispielsweise durch stern förmig angeordnete Bleche, die nach dem Füllvorgang entfernt werden, erfolgen. In Fig. 2 and 3 contact body 10 and 20 are shown, which are for example in the sintering process by impregnation of a chrome structure with liquid copper Herge provides. Through the powder metallurgical manufacturing process of such disks 10 and 20 , radial areas, for example spoke-shaped or star-shaped, can be produced at the same time as the webs from a material of lower conductivity than that of the base material, simultaneously with the production of the molded part. For the production of contact bodies according to FIGS . 2 and 3, segment-like pul regions of such materials are introduced into the powder filling, which lead to the desired areas of low conductivity in the subsequent impregnation process. The layering of different powders can be done, for example, by star-shaped sheets that are removed after the filling process.
Durch einen geeigneten Füllvorgang lassen sich in ein facher Weise solche radiale Bereiche herstellen, die unterhalb der Schaltfläche enden. Es können aber auch vom Umfang ausgehend radiale Segmente bis in vorgegebene Lage zum Mittelpunkt der Kreisscheibe eingebracht werden. Die Begrenzungen können parallel oder radial verlaufen. Es empfiehlt sich, die Bereiche möglichst schmal, dafür aber eine größere Anzahl, beispielsweise acht oder mehr, aber wenigstens vier, kreissymmetrisch über die Scheibe verteilt zu wählen.With a suitable filling process, manufacture such radial areas that end below the button. But it can also radial segments extending from the circumference to predetermined ones Position introduced to the center of the circular disc will. The limits can be parallel or radial run. It is recommended that the areas be as possible narrow, but a larger number, for example eight or more, but at least four, circularly symmetrical to choose distributed over the disc.
In Fig. 2 sind in den Formkörper 10 mit Schaltseite 11 und Lötseite 12 von der Rückseite ausgehend bis nahe zur Schaltseite 11 radial verlaufende Pulverfüllungen eingebracht, die durch parallele Begrenzungen jeweils etwa balkenförmige Stege 15 bilden und sich im Scheiben zentrum kreuzen. Die Stege 15 definieren stern- oder speichenförmige Bereiche und belassen die Kontaktfläche 21 des Kontaktkörpers 20 unverändert.In Fig. 2 radially extending powder fillings are introduced into the molded body 10 with switching side 11 and soldering side 12 starting from the back to close to the switching side 11 , each forming approximately bar-shaped webs 15 by parallel boundaries and intersecting in the center of the disk. The webs 15 define star-shaped or spoke-shaped areas and leave the contact surface 21 of the contact body 20 unchanged.
In Fig. 3 sind in den Sinterkörper 20 mit Schaltseite 21 und Rückseite 22 ausgehend vom Scheibenumfang über die gesamte Dicke d sektorartige Bereiche 25 eingebracht, so daß sich zum Kreismittelpunkt hin ein Zentralbe reich 26 unveränderter hoher Leitfähigkeit ergibt. Von diesem Zentralbereich 26 gehen die Bereiche 24 und 25 abwechselnd sternförmig aus.In Fig. 3 are introduced in the sintered body 20 with the switching side 21 and back 22 starting from the disc circumference over the entire thickness d sector-like areas 25 , so that there is a Zentralbe rich 26 unchanged high conductivity. Areas 24 and 25 alternate in a star shape from this central area 26 .
Bei Preßlingen gemäß Fig. 2 oder 3 können die unter schiedlichen Pulverschichten 14 und 15 bzw. 24 und 25 derart vorliegen, daß die Pulver des Materials für die radialen Bereiche niedriger Leitfähigkeit entweder ungelöst oder aber auch gelöst im fertigen Werkstoff verbleiben. Im letzteren Fall ist aber durch Material wahl dafür zu sorgen, daß eine homogene Lösung im verpreßlingen mit eingelagerten Segmenten, z.B. aus Eisen (Fe)-Pulver führt der anschließende Tränkprozeß zur An- oder Auflösung der Fe-Pulverkörper, wobei sich das Fe in Form von FeCr an unmittelbar benachbarten Cr-Körnern des Tränkwerkstoffes wieder ausscheidet.In moldings according to Fig. 2 or 3 the union difference powder layers 14 and 15 or 24 and 25 may be such that the powder of the material for the radial regions of low conductivity either remain unsolved or also dissolved in the finished material. In the latter case, however, the choice of material must ensure that a homogeneous solution in the pressed parts with embedded segments, for example made of iron (Fe) powder, leads to the subsequent impregnation process to dissolve or dissolve the Fe powder bodies, with the Fe in the form from FeCr on immediately adjacent Cr grains of the impregnation material.
In Fig. 4 sind in einem Kontaktkörper 30 elektrisch schlecht leitende Bereiche 35 als schmale Stege ein gebracht. In diesem Fall werden aber die Bereiche 34 aus Grundmaterial speziell durch Bleche, beispielsweise aus Eisen (Fe), Kobalt (Co), Titan (Ti), Nickel (Ni), Aluminium (Al) oder Legierungen davon, getrennt. Die Bleche 35 können vom Umfang ausgehend radial in die Pulverschüttung für den Preßling eingeschoben werden, was sich in einfacher Weise durch geeignet gefalzte Blechstreifen erreichen läßt. Die Blechstreifenhöhe kann entweder die gesamte Dicke d der Kontaktscheibe ein nehmen oder auch niedriger gewählt werden.In Fig. 4, electrically poorly conductive regions 35 are brought in as a narrow webs in a contact body 30 . In this case, however, the regions 34 made of base material are specifically separated by sheets, for example made of iron (Fe), cobalt (Co), titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al) or alloys thereof. The sheets 35 can be inserted radially from the circumference into the powder bed for the compact, which can be achieved in a simple manner by suitably folded sheet metal strips. The sheet metal strip height can either take the entire thickness d of the contact disk or can be chosen to be lower.
Durch den Sinter- und Tränkprozeß ergeben sich durch die eingelegten Bleche 35 die erwünschten Stege geringerer Leitfähigkeit als die des Grundmaterials. Der Außenbe reich des Kontaktkörpers 30 läßt sich anschließend ab drehen, so daß die sternförmige Struktur der durch die Bleche 35 gebildeten Stege entsteht. Es verbleibt aber ein hochleitfähiger Zentralbereich 36 im Kontaktkör per 30.Due to the sintering and impregnation process, the inserted webs 35 result in the desired webs of lower conductivity than that of the base material. The Außenbe rich of the contact body 30 can then be turned, so that the star-shaped structure of the webs formed by the plates 35 is formed. However, there remains a highly conductive central region 36 in the contact body 30 .
Die vorstehend beschriebenen Kontaktkörper können pro blemlos auf die Kontaktträger 2 bzw. 2′ und die Stütz körper 5 bzw. 5′ gemäß Fig. 1 aufgelötet werden. Dabei werden die Kontaktkörper zweckmäßigerweise derart orientiert, daß die radialen Bereiche geringerer elek trischer Leitfähigkeit der Schlitzung 3 bzw. 3′ der Kon taktträger 2 bzw. 2′ entsprechend zugeordnet sind. The contact body described above can be easily soldered to the contact carrier 2 or 2 'and the support body 5 or 5 ' according to FIG. 1. The contact bodies are expediently oriented such that the radial areas of lower electrical conductivity of the slot 3 or 3 'of the contact carrier 2 or 2 ' are assigned accordingly.
Die Erfindung wurde vorstehend an einem CuCr-Basis werkstoff mit 30 bis 60% Chrom als Kontaktmaterial beschrieben. Auch mit anderen Kontaktwerkstoff-Systemen, beispielswseise auf CuW- oder CuMo-Basis, sind Kon takte gemäß der Erfindung herstellbar.The invention was previously based on a CuCr material with 30 to 60% chrome as contact material described. Also with other contact material systems, for example based on CuW or CuMo, are Kon clocks can be produced according to the invention.
Claims (17)
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