Vakuumschaltröhre mit einer Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes

Abstract

 Eine Vekuumschaltröhre (1) weist ein feststehendes Schaltatück (7) und ein bewegliches Schaltstück (14) auf. Eine dem feststehenden Schaltstück (14) zugeordnete ortsfeste Tellspule (5) erzeugt zusammen mit dem als verbleibender Teil der Spule ausgebildeten beweglichen Schaltstück (11) ein axiales Magnetfeld. das den Raum zwischen den Schaltstücken durchsetzt. Da das Magnetfeld überwiegend von der ortsfesten Spule erzeugt wird, kann das bewegliche Schaltstück (11) verhältnismäßig masse- und verlustarm ausgeführt werden. Die Erfindung eignet sich für Vakuumschaltröhren, die gleichermaßen hohe Schaltströme und hohe Nennströme mit geringer Erwärmung und geringer Antriebsenergie beherrschen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit einem feststehenden und einem relativ zu diesem geradlinig bewegbar angeordneten beweglichen Schaltstück sowie mit einer von dem zu schaltenden Strom durchflossenen Spule zum Erzeugen eines den Raum zwischen den Schaltstücken duchsetzenden Magnetfeldes.

[0002] Eine Vakuumschaltröhre dieser Art ist durch die DE-OS 30 33 632 bekannt geworden. Die Spule hat dabei die Aufgabe, ein axial ausgerichtetes Magnetfeld zu erzeugen, das heißt ein Magnetfeld, dessen Feldlirien im wesentlichen parallel zur Längsachse zur Schaltstückanordnung verlaufen. Die Feldlinien erstrecken sich damit auch im wesentlichen parallel zu den Stromfäden der zwischen den Schaltstücken auftretenen Lichtbogenentladung, wodurcr in bekannter Weise beim Schalten hoher Ströme eine Kontraktion des Lichtbogens vermieden wird. Will man dabei Schaltströme von 30 000 Ampere und mehr beherrschen, so läßt sich das erforderliche Magnetfeld wirtschaftlich nur dann erzeugen, wenn die hierzu benutzte Spule in unmittelbarer Nähe der Schaltstücke angeordnet oder durch diese selbst gebildet wird.

[0003] Bei der Vakuumschaltröhre nach der eingangs genannten DE-OS 30 33 632 ist die das Magnetfeld erzeugende Spule dem feststehenden Schaltstück zugeordnet. Die gewünschte axiale Feldform wird dadurch erhalten, das die SchaltstQcke mit ferromagnetischen Teilen versehen sind, welche die Feldlinien annähernd axial in den Raum zwischen den Schaltstücken übertreten lassen.

[0004] Das Vorhandensein der ferromagnetischen Teile an dem beweglichen Schaltstück der vorstehend beschriebenen Vakuumschaltröhre erschwert es, sowohl einen hohen Schaltstrom als auch einen hohen Dauerstrom zu beherrschen. Wegen der verhältnismäßig niedrigen elektrischen Leitfähigkeit der ferromagnetischen Teile ist es nämlich erforderlich, das bewegliche Schaltstück und seinen Stromzuführungsbolzen mit einem vergrößerten Querschnitt auszuführen, um die Erwärmung im Dauerbetrieb, insbesondere bei einem Dauerstrom von 3000 A und mehr gering zu halten. Dadurch erhält das Schaltstück jedoch eine verhältnismäßig große Masse, was einen ungünstigen Einfluß auf die Höhe der benötigten mechanischen Antriebsenergie beim Schalten hat. Darüberhinaus lassen die ferromagnetischen Teile zur Zeit des Stromnulldurchganges ein magnetisches Restfeld bestehen, das die Lichtbogenlöschung erschwert.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit axialem Magnetfeld arbeitende Vaαuumschaltröhre der eingangs genannten Art zu schaffen, die verlustarm und mit möglichst geringem magnetischen Restfeld im Stromnulldurchgang arbeitet und die ein massearmss bewegliches Schaltstück aufweist. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Spule zum überwiegenen Teil ortsfest angeordnet und der verbleibene Teil an dem beweglichen Schaltstück angeordnet ist. Auf diese Weise wird ohne Verwendung ferromagnetischer Körper erreicht, daß das Magnetfeld den Raum zwischen den Schaltstücken annähernd axial durchsetzt. Obwohl die Spule aus zwei durch den Lichtbogen in Reihe geschalteten Teilstücken besteht, verhält sie sich im wesentlichen wie eine einheitliche Spule. Da an dem beweglichen Schaltstück nur ein geringer Teil der gesamten Amperewindungszahl der Spule unterzubringen ist, läßt sich dieses Schaltstück auf einfache Weise massearm und verlustarm ausführen.

[0006] Es ist bereits eine Vakuumschaltröhre bekannt, deren felderzeugende Wicklung aus zwei durch den Lichtbogen in Reihe zu schaltenden Spulen besteht (US-PS 3 372 259 = FR-PS 1484 018). Dabei ist die eine Spule ortsfest und die weitere Spule beweglich angeordnet. Beide Spulen sind gleich oder ähnlich, d. h. nach Windungszahl und Durchmesser vergleichbar ausgebildet. Dies bedingt eine relativ große bewegte Masse und das Entstehen von Verlustwärme in einem Bereich der Schaltröhre, aus dem sie nicht leicht abzuführen ist. Davon abgesehen weist diese Vakuumschaltröhre eine konzentrische Kontaktanordnung auf, bei der ein schwenkbar gelagertes zylinderscheibenförmiges bewegliches Schaltstück in einen ringförmigen feststehenden Kontaktkörper eingreift. Diese Anordnung ist einerseits günstig für das Lichtbogenverhalten, erschwert es jedoch, hohe Nennspannungen und Nennströme zu erreichen.

[0007] Der ortsfeste und bewegliche Teil der Spule können in ähnlicher Weise ausgeführt werden, wie dies beim Bau von Vakuumschaltröhren an sich bekannt ist. Insbesondere kann der ortsfeste Teil der Spule als Stromzuführung zu dem feststehenden Schaltstück ausgebildet sein und kann eine geschlitzte Kontaktplatte aufweisen, deren Durchmesser etwa den mittleren Durchmesser der Spulenwindungen der ortsfesten Teilspule entspricht. Durch die Bemessung der Kontaktplatte ist sichergestellt, daß bereits am äußersten Rand der Kontaktplatte ein Magnetfeld ausreichender Stärke vorhanden ist. Für den angestrebten Bereich hoher bis sehr hoher Schaltströme empfiehlt sich eine mehrgängige Ausführung des ortsfesten Teiles der Spule. Dadurch entstehen mehrere parallele Strombahnen. Durch die Schlitzung der Kontaktplatte lassen sich in bekannter Weise magnetische Restfelder zur Zeit des Stromnulldurchganges unterdrücken, die sich ungünstig auf Lichtbogenlöschung auswirken.

[0008] Der verbleibende, an dem beweglichen Schaltstück unterzubringende Teil der Spule kann in bekannter Weise durch eine topfförmige Ausgestaltung des beweglichen Schaltstückes erreicht werden, wobei die Wandung des Schaltstückes schräg geschlitzt und mit einer ebenen Kontaktplatte abgedeckt ist. Wesentlich ist hierbei die Anordnung der Schlitze in der Art, daß das erzeugte Magnetfeld gleichsinnig mit dem Magnetfeld des ortsfesten Spulenteiles verläuft.

[0009] Es empfiehlt sich, die ortsfest angeordnete Teilspule an einem stromführend ausgebildeten Abschlußflansch des Gehäuses der Vakuumschaltröhre zu befestigen. Hierdurch werden sowohl die Stromeinleitung in die ortsfeste Teilspule, insbesondere bei mehrgängiger Ausbildung, als auch eine gute Wärmeableitung sichergestellt.

[0010] Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

[0011] Die Figur 1 zeigt eine Vakuumschaltröhre schematisch im Schnitt.

[0012] In der Figur 2 ist eine ortsfeste Spule abgewickelt dargestellt.

[0013] Die Figuren 3 und 4 zeigen Beispiele für geschlitzte Kontaktplatten.

[0014] Die in der Figur 1 gezeigte Vakuumschaltröhre 1 weist ein aus Metallteilen und Keramikteilen zusammengesetztes Gehäuse 2 auf. Ein oberer Abschlußflanch 3 trägt außen einen mit Gewinde versehenden Anschlußbolzen 4 und im inneren des Gehäuses 2 eine feststehende Teilspule 5. Diese ist mit einem großen Querschnitt ausgeführt, um mit geringen Stromwärmeverlusten ein starkes Magnetfeld erzeugen zu können. Eine den Beanspruchungen entsprechende mechanische Festigkeit der Spule wird durch zwischen den Windungen angeordnete Stützkörper 6 erzielt. Die Spule ist mehrgängig, d. h. im vorliegenden Fall mit vier parallelen Zweigen ausgeführt, wie dies in der Figur 2 anhand einer Abwicklung verdeutlicht ist. Die parallelen Zweige sind in Figur 2 mit 5 a, 5 b, 5 c und 5 d bezeichnet. Die dem Abschlußflansch 3 abgewandte Seite der Teilspule 5 ist mit einem Schaltstück 7 verbunden, dessen Kontaktplatte 8 etwa den mittleren Durchmesser der Spulenwindungen aufweist. Diese Kontaktplatte kann aus einem für das Schalten im Vakuum besonders geeigneten Werkstoff, z. B. einem Chrom- Kupfer- Verbundwerkstoff bestehen. Ein solcher Werkstoff kann auch auf eine mechanisch festere Trägerplatte aufgebracht sein. Ferner kann im Inneren der Teilspule 5 ein elektrisch nicht leitender oder nur schlecht leitender Stützkörper zur Abstützung der Kontaktplatte 8 angeordnet sein.

[0015] An der dem Abschlußflansch 3 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 2 befindet sich ein unterer Abschlußflansch 9, an dem mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Gleitlagers ein beweglicher Stromzuführungsbolzen 10 als Träger eines beweglichen Schaltstückes 11 verschiebbar gefünrt ist. Ein Federbalg 19 ermöglicht in bekannter Weise die zum Aus- und Einschalten erforderliche Bewegung des Stromz_Lführungsbolzens 10 in Richtung des Doppelpfeiles 23 und dichtet zugleich den Innenraum der Schaltröhre 1 gegenüber der umgebenden Atmosphäre vollkommen ab. Das bewegliche Schaltstück 11 ist weitgehend wie die bekannten Topfkontaktstücke gestaltet. Die Wandung 12 ist mit schräg zur Schaltstückachse verlaufenden Schlitzen 13 versehen, die den Strom veranlassen, seine Fließrichtung derart zu verändern, daß das Schaltstück die Eigenschaft einer Spulenwindung erhält. An seiner der feststehenden Kontaktplatte 7 zugewandten Seite trägt das bewegliche Schaltstück 11 gleichfalls eine Kontaktplatte 14 mit einem der Kontaktplatte 7 entsprechenden Durchmesser.

[0016] Die Kontaktplatten 8 und 14 können zur Vermeidung von Wirbelströmen geschlitzt sein. Eine solche Schlitzung kann in bekannter Weise beispielsweise gemäß der Figur 3 radial oder gemäß der Figur 4 (Kontaktplatten 18 und 24) so angeordnet sein, daß die Schlitze am Rand der Kontaktplatte beginnen und am Zentrum vorbeiführen. Diese und weitere Beispiele sind der US-PS 39 46 179 zu entnehmen.

[0017] Der die Schaltstücke umgebende Teil des Gehäuses 2 ist durch einen Metallmantel 15 gebildet, an den sich in Richtung zu dem oberen Abschlußflansch 3 ein keramischer Hohlisolator 16 und in Richtung zu dem unteren Abschlußflansch ein weiterer keramischer Hohlisolator 17 anschließt. Die Verbindungen zwischen allen Teilen des Gehäuses 2 können in bekannter Weise durch Löten gebildet sein. An den Übergangsstellen zwischen dem Metallmantel 15 und den Hohlisolatoren 16 und 17 sind zur Vermeidung von Konzentrationen des elektrischen Feldes Schirmringe 20 bzw. 21 angebracht.

[0018] Die beschriebene Schaltröhre wirkt in folgender Weise: Der Einschaltzustand wird durch Aufwärtsbewegung des Stromzuführungsbolzens 10 herbeigeführt. Zwischen dem oberen Anschlußbolzen 4 und dem Gewindezapfen 22 des Stromzuführungsbolzens 10 wird dann eine durchgehende Strombahn gebildet, die den oberen Abschlußflansch 3, die Teilspule 5, die Kontaktplatte 8, die Kontaktplatte 14, die geschlitzte Wandung 12 als bewegliche Teilspule sowie den Stromzuführungsbolzen 10 umfaßt. Die in diesem geschlossenen Zustand auftretenden Stromwärmeverluste werden dadurch verhältnismäßig gering gehalten, daß die Teilspule 5 mit einem bewußt großen Querschnitt ausgeführt ist. Da die Strombahn frei von ferromagnetischen Teilen ist, treten zusätzliche Verluste nicht auf. Wird der in der Figur 1 gezeigte Ausschaltzustand durch Abwärtsbewegung des Stromzuführungsbolzens 10 herbeigeführt, so entsteht zwischen den Kontaktplatten 8 und 14 der Abschaltlichtbogen. Dieser befindet sich im Bereich des gleichsinnig mit der Längsachse der Schaltstückanordnung verlaufenden Magnetfeldes, das durch die Teilspule 5 und das gleichsinnig mit dieser wirkende bewegliche Schaltstück 11 als bewegliche Teilspule erzeugt wird. Beide leilspulen sind durch den Lichtbogen in Reihe geschaltet, so daß die Feldlinien - von der Teilspule 5 aus gesehen - erst hinter dem beweglichen Schaltstück 11 ihre Richtung ändern. Ein gewisser Streufluß, der im geöffneten Zustand der Schaltstücke im Raum zwischen denselben auftritt, ist für die Wirksamkeit der Anordnung nur von geringer Bedeutung.

[0019] Wie ohne weiteres zu erkennen ist, kann die beschriebene Kontakt- und Spulenanordnung unabhängig von einer bestimmten Gehäusebauform angewandt werden. Das beschriebene Gehäuse 2 stellt somit nur ein Beispiel dar, das sowohl hinsichtlich der angegebenen Werkstoffe als auch der Bauform abgewandelt werden kann. Ferner kann die an dem beweglichen Schaltstück 11 befindliche Teilspule anders ausgeführt sein, als dies im Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Ansprüche

1. Vakuumschaltröhre (1) mit einem feststehenden Schaltstück (7) und einem relativ zu diesem geradlinig bewegbar andeordneten beweglichen Schaltstück (11) sowie mit einer von dem zu schaltenden Strom durchflossenen Spule (5) zum Erzeugen eines den Raum zwischen den Schaltstücken durchsetzenden Magnetfeldes, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Spule zum überwiegenden Teil ortsfest angeordnet (Teilspule 5) und der verbleibende Teil (Mantel 12, Schlitze 13) an dem beweglichen Schaltstück (11) angeordnet ist.

2. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsfeste Teil der Spule (Teilspule 5) als Stromzuführung zu dem feststehenden Schaltstück (7) ausgebildet ist und dieses eine geschlitzte Kontaktplatte (8) aufweist, deren Durchmesser etwa dem mittleren Durchmesser der Spulenwindungen der ortsfesten Teilspule (5) entspricht.

3. Vakuumschaltröhre nact Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfeste Teilspule (5) mehrgängig (5a, 5b, 5c, 5d) ausgebildet ist.

4. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Schaltstück (11) zur Bildung des verbleibenden Teiles der Spule topfförmig mit schräg geschlitzter Wandung (12) und mit einer ebenen geschlitzten Kontaktplatte (14) ausgebildet ist.

5. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfest angeordnete Teilspule (5) an einem stromführend ausgebildeten Abschlußflansch (3) des Gehäuses (2) der Vakuumschaltröhre (1) befestigt ist.

Zeichnung