[0001] Die Erfindung betrifft ein Kontaktstück für Axialmagnetfeldanwendungen in einer Vakuumkammer,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Kontaktstücke, die bei einer Schalthandlung einen Lichtbogen führen, müssen unterschiedlichen
Bedingungen genügen. Zum einen muß bei geschlossenem Schalter das Kontaktstück eine
ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen, zum anderen darf das Kontaktstück
bei Auftreten eines Schaltlichtbogens nicht zu schnell erodieren, damit die Lebensdauer
des Schaltgerätes ausreichend hoch bleibt. Während bei gasisolierten Hochspannungsleistungsschaltern
die Kontaktanordnung aufgeteilt werden kann in Kontaktstücke, die den Nennstrom führen,
und Kontaktstücke, die den Lichtbogen führen und demgemäß abbrandfest sein müssen,
können in einer Vakuumkammer keine den Nennstrom führenden Kontaktstücke vorgesehen
werden, so daß die einzige Kontaktstückanordnung sowohl den Nennstrom als auch den
Lichtbogen führen muß.
[0003] Bei einem Vakuumschalter beispielsweise unterscheidet man Radial- und Axialmagnetfeldkontaktstücke
zur Beherrschung dieser Schaltvorgänge und zur Lichtbogenführung.
[0004] Bei Axialmagnetfeldkontaktstücken wird zwischen den sich gegenüberliegenden Kontaktstücken
ein axialmagnetisches Feld dadurch erzeugt, daß der Strom durch die Kontaktstücke
in bekannter, hier nicht näher zu erläuternder Weise geführt wird. Aufgrund des Axialmagnetfeldes
bildet sich ein diffuser Lichtbogen aus, der gut beherrschbar ist.
[0005] Aus DE 197 46 316 A1 ist bekannt, daß zur Erzeugung sowie zur Verstärkung des Axialmagnetfeldes
im Kontaktstück oder an der Kontaktanordnung eine in Reihe geschaltete Spule vorhanden
sein kann. Ein so verstärktes Axialmagnetfeld macht den diffusen Lichtbogen besser
beherrschbar.
[0006] In einer Vakuumkammer können zwischen den Kontaktstücken beispielsweise auch zwei
axialmagnetische Feldbereiche vorgesehen sein. Dann erfolgt eine magnetische Trennung
des Kontaktstückes in üblicherweise zwei, häufig gleichgestaltete, symmetrische Bereiche,
die durch entsprechende Stromführung die gewünschten magnetischen Felder generieren.
Die beiden Kontaktstücke eines Vakuumschalters stehen sich dann so gegenüber, daß
sich die jeweils zwei Bereiche der Kontaktstücke genau gegenüber stehen. Daher bilden
sich bei Stromfluß zwischen den Kontaktstücken genau zwei axialmagnetischen Feldbereiche
aus.
[0007] Es können aber auch vier axialmagnetische Feldbereiche vorgesehen sein. Dann erfolgt
die magnetische Trennung der Kontaktstücke häufig auch in jeweils zwei Bereiche. Zusätzlich
stehen sich die jeweiligen Bereiche um 90° verdreht gegenüber. Räumlich gesehen ist
damit an einer gedachten Berührfläche der Kontaktstücke eine geviertelte Einteilung
entstanden. Bei Stromfluß werden demgemäß dann vier magnetische Feldbereiche generiert.
[0008] Die Wirkung und die Ausrichtung von Magnetfeldern kann durch am Kontaktstück vorhandene
ferromagnetische Polstücke zusätzlich geführt und verstärkt werden. Die Polstücke
können unterschiedlich konstruiert sein. Bekannt sind neben Polstücken, die aus einem
homogenen Block bestehen, beispielsweise auch geschichtete Feldverstärkerplatten,
die zu Polstücken zusammengesetzt werden.
[0009] Des weiteren kann ein Kontaktstück zur mechanischen Stabilisierung eine Verstärkungsplatte,
häufig zwischen den Polstücken und der Kontaktschicht angeordnet, aufweisen, insbesondere,
wenn durch einen entsprechend großen Durchmesser des Kontaktstücks die mechanische
Beanspruchung des Kontaktstücks größer ist. Diese Verstärkungsplatte ist aus unmagnetischem
Werkstoff, z. B. aus Edelstahl, da sonst, wie zum Beispiel bei einem Kontaktstück,
bei dem zwei magnetische Bereiche vorgesehen sind, ein magnetischer Kurzschluß zwischen
den Polstücken entsteht und sich somit die gewünschten axialmagnetischen Feldbereiche
im Kontaktspalt nicht mehr ausbilden können.
[0010] Durch die Verstärkungsplatte erhöht sich der Abstand zwischen den feldverstärkenden
Polstücken von zwei sich gegenüberliegenden Kontaktstücken um die doppelte Dicke der
Verstärkungsplatte. Der magnetische Streufluß erhöht sich und der axialmagnetische
Fluß sinkt. Die Wirkung eines axialmagnetischen Feldes ist daher dementsprechend schwächer.
Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn aufgrund der dielektrischen Anforderungen
ein entsprechend großer Hub der Kontaktstücke in der Vakuumkammer eingestellt wird.
[0011] Zur Herstellung des Kontaktstücks werden die Bauteile Polstücke, Verstärkungsplatte
sowie Kontaktschicht in mehreren Schritten zusammengefügt, z. B. durch Löten, Sintern,
Schweißen oder Nieten.
[0012] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein Kontaktstück
mit wenigstens einem Polstück zu schaffen, das einen mechanisch robusten Aufbau mit
verbesserten magnetischen Eigenschaften aufweist.
[0013] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
[0014] Erfindungsgemäß also ist ein Kontaktstück für Axialmagnetfeldanwendungen in einer
Vakuumkammer, mit wenigstens einem Polstück, einer Kontaktschicht sowie einer Struktur
zur mechanischen Verstärkung des Kontaktstückes, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur
wenigstens ein Bauelement aus einem magnetischen Werkstoff sowie ein Verbindungselement
aus einem unmagnetischen oder gering magnetischen Werkstoff aufweist, wobei das Verbindungselement
fest mit dem wenigstens einen Bauelement verbunden ist und daß das wenigstens eine
Bauelement sowie das Verbindungselement so einander zugeordnet sind, daß ein magnetischer
Kurzschluß zwischen den verbundenen Bereichen des einen oder zwischen den wenigstens
zwei Bauelementen vermieden ist.
[0015] Diese Struktur dient vorteilhafterweise der mechanischen Verstärkung des Kontaktstückes
insgesamt, wobei eine magnetfeldhindernde oder-schwächende Verstärkungsplatte vermieden
ist.
[0016] Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Struktur als Platte. In diesem Fall
werden wenigstens zwei Elemente, nämlich wenigstens ein Bauelement sowie das Verbindungselement,
zusammengesetzt und fest miteinander zur Platte verbunden. Die Platte wird dann beispielsweise
vor dem Herstellungsprozeß des Kontaktstücks als Struktur zwischen die Kontaktschicht
und die Polstücke plaziert sowie im Herstellungs-prozeß mittels eines Lotes mit der
Kontaktschicht und den Polstücken fest verbunden.
[0017] Es ist aber auch vorteilhaft, wenn wenigstens ein Bauelement als einstückiges Polstück
gestaltet und dieses mittels des Verbindungselementes zu der Struktur verbunden ist.
Die Struktur aus dem einstückigen Polstück und dem Verbindungselement nehmen die insgesamt
auf das Kontaktstück wirkenden Kräfte auf und wirken mechanisch als Verstärkung. Gleichzeitig
ist die Anzahl der zu verbindenden Teile bei der Herstellung des Kontaktstückes vorteilhafterweise
reduziert.
[0018] Polstücke können beispielsweise auch aus mehreren plattenartigen Bauteilen zusammengesetzt
sein, wobei die plattenartigen Bauteile geschichtet, gestapelt oder auf andere gleichartige
Weise übereinandergelegt sind, bis die gewünschte Form des Polstücks gebildet ist.
Zwischen die plattenartigen Bauteile wird jeweils ein Lot plaziert, beispielsweise
Kupfer, das während des Herstellungsprozesses des Kontaktstückes die plattenartigen
Bauteile zu den Polstücken verbindet, während gleichzeitig die Verbindung zwischen
den Polstücken und der Struktur hergestellt wird. Die Herstellung insgesamt ist auf
günstige Weise vereinfacht.
[0019] Die plattenartigen Bauteile können erfindungsgemäß aus magnetischem Blech oder Bandmaterial
hergestellt sein und technisch besonders kostengünstig geformt, beispielsweise geschnitten,
gestanzt, gepreßt oder auf andere gleichartige Weise in Massen hergestellt werden.
[0020] Insbesondere in dem soeben beschriebenen Fall setzt sich die Struktur dann aus Bauteilen
sowie dem Verbindungselement plattenartig zusammen, wobei die Dicke der plattenartigen
Bauteile größer, gleich oder kleiner sein kann als die Dicke des Verbindungselements.
Es ist aber jedenfalls vorteilhaft, die plattenartigen Bauteile und das Verbindungselement
so zu verbinden, daß die Struktur wenigstens eine plane Fläche aufweist, die bei der
Herstellung des Kontaktstücks dann der Kontaktschicht zugewandt ist. Üblicherweise
werden die Dicken jedoch zur Vereinheitlichung gleich groß gewählt sein.
[0021] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bietet es sich auch
an, als Polstücke sogenannte Grünlinge zu verwenden, die zumindest teilweise aus magnetischen
Pulvern in einem Preßvorgang formbeständig hergestellt sind. Der Vorteil besteht darin,
daß bei einem Temperaturerhöhungsprozeß während der Herstellung des Kontaktstücks
die Polstücke gleichzeitig gesintert werden, während sich die Struktur mit den Polstücken
sowie der Kontaktschicht beispielsweise durch Löten verbindet.
[0022] Beim Zusammenfügen des oder der Bauelemente mit dem Verbindungselement wird eine
Verbindungstechnik gewählt, die eine mechanisch dauerhaft stabile Verbindung ergibt,
so daß die im Betrieb vorkommenden mechanischen und thermischen Belastungen, ggf.
auch die mechanisch- thermischen Wechselbeanspruchungen, insbesondere auch von den
Verbindungsstellen aufgenommen werden.
[0023] Mögliche vorteilhafte Verbindungstechniken sind das Laserschweißen oder das Elektronenstrahlschweißen,
das besonders stabile Verbindungen herstellt.
[0024] Eine weitere vorteilhafte Verbindungstechnik ist das Löten, das als ein kostengünstiges
Verfahren zu Verfügung steht. Das Löten kann auch gleichzeitig während des Lötvorganges
zur Herstellung des Kontaktstückes durchgeführt werden.
[0025] Anhand eines, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sollen die Erfindung,
vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung, sowie besondere Vorteile
der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
[0026] Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Schnittansicht durch ein Kontaktstück mit zwei Polstücken aus Feldverstärkerplatten,
entsprechend Schnittlinie I-I der Fig. 2
- Fig. 2
- eine scheibenförmige Struktur zur mechanischen Stabilisierung eines Kontaktstückes
in Draufsicht, und
- Fig. 3
- eine zweite scheibenförmige Struktur zur mechanischen Stabilisierung eines Kontaktstückes
bei dem ein hufeisenförmiges Polstück vorgesehen ist, in Draufsicht.
[0027] In Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch Kontaktstück 14 dargestellt, das einen zylinderförmigen
Raum einnimmt und einen Durchmesser D aufweist. Das Kontaktstück 14 weist zwei Polstücke
84, 85, eine Kontaktschicht 90 sowie eine Struktur 13, die in Fig. 2 detailliert beschrieben
ist, auf.
[0028] Die Struktur 13 besitzt als drei Abschnitte zwei gleichgestaltete Bauelemente 76,
77, die als sekantenförmige Scheibenabschnitte ausgestaltet und aus einem magnetische
Werkstoff hergestellt sind, sowie ein Verbindungselement 78, das als Streifenabschnitt
mit zwei parallelen Kanten 71 b, 72 b ausgestaltet ist und aus einem ummagnetischen
oder geringmagnetischen Werkstoff hergestellt ist und sich zwischen den Bauelementen
76, 77 befindet. Die Bauelemente 76, 77 sowie das Verbindungselement 78 sind an ihren
Berührflächen oder-kanten 71, 72 fest miteinander verbunden und bilden eine kreisförmige
Platte. Damit besitzen die Bauelemente 76, 77 eine kreisbogenförmige Außenkontur 91
sowie eine sekantenartige Kante 71 a/ 72 a. Das Verbindungselement 78 mit den parallelen
längeren Kanten 71 b, 72 b ist an seinen Schmalseitenkanten 74 kreisbogenförmig; diese
ergänzen sich mit den Außenkanten 91 zu dem Kreis der äu-βeren Kontaktstückumfangskontur.
[0029] Die Polstücke 84, 85 sind aus jeweils vier gleichgestalteten magnetischen Feldverstärkerplatten
82 der Breite B1 zusammengesetzt, die ungefähr einem Drittel des Durchmessers D entspricht.
Die magnetischen Feldverstärkerplatten 82 weisen die gleiche Kontur sowie Dicke wie
die Bauelemente 76, 77 auf und befinden sich deckungsgleich aufeinander.
[0030] Die Polstücke 84, 85 sind mit ihrer einen Seite mit den Bauelementen 76, 77 deckungsgleich
übereinander angeordnet sowie fest mit dieser verbunden. Auf der den Polstücken 84,
85 entgegengesetzten Seite der Struktur 13 befindet sich die Kontaktschicht 90, die
sich mit einer ihrer Scheibenseiten deckungsgleich auf der Struktur 13 befindet sowie
fest mit dieser verbunden ist.
[0031] Insgesamt weist das komplette Kontaktstück 14 einen zylinderartigen Aufbau gleichen
Durchmessers D auf, nämlich zunächst die Kontaktschicht 90 mit scheibenförmigem Aufbau,
beispielsweise aus CuCr, dann die Struktur 13 sowie, an den Bauelementen 76, 77 angeordnet,
die scheibenabschnittartigen Polstücke 84, 85. Der zylinderartige Aufbau ist also
nur an einer Stelle, nämlich zwischen den zwei Polstücken 84, 85 unvollständig, da
dort keine Streifenabschitte vorhanden sind, welche die jeweiligen scheibenabschnittartigen
Polstücke 84, 85 zu einer vollständigen Scheibenform ergänzen würden.
[0032] Die Struktur 13 stabilisiert mechanisch das Kontaktstück 14 und verbindet gleichzeitig
die Kontaktschicht 90 sowie die Polstücke 84,85 zu dem Kontaktstück 14.
[0033] Das Verbindungselement 78 besitzt eine kreisförmige Durchbrechung 95, die zur Aufnahme
eines Kontaktträgers 96 dient.
[0034] In Fig. 2 ist die scheibenförmige Struktur 13 zur mechanischen Verstärkung des Kontaktstückes
14 in Draufsicht dargestellt. Die scheibenförmige Struktur 13 besitzt in dieser Ansicht
eine kreisförmige Fläche 74 mit Mittelpunkt M und weist drei Abschnitte auf. Die beiden
Bauelemente 76, 77 bestehen beispielsweise aus dem Stahl ST37, und der dazwischen
liegenden Streifenabschnitt, das Verbindungselement 78, aus beispielsweise unmagnetischem
Edelstahl.
[0035] Alle anderen Werkstoffkombinationen aus magnetischem Werkstoff für die Bauelemente
76, 77 sowie aus unmagnetischem oder gering magnetischem Werkstoff für das Verbindungselement
78 sind ebenso denkbar. Die Breite des Streifenabschnitts entspricht ca. 1/3 des Durchmessers
D und ist durch zwei Flächen begrenzt, die sich parallel gegenüberliegen sowie gleichzeitig
die Berührflächen 71, 72 mit den Bauelemente 76,77 sind. Diese zwei Berührflächen
71, 72 sind in der Draufsicht als parallele Sehnen der Kreisfläche dargestellt. Die
zwei Bauelemente 76,77 sind an den Berührflächen 71, 72 mit dem Verbindungselement
78 mit einer festen, belastbaren Verbindung zusammengefügt, beispielsweise mittels
Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Löten.
[0036] Die Erfindung ist an Hand eines Beispiels erläutert. Damit soll keine Einschränkung
des Erfindungsgedankens bewirkt werden. Es gibt für den Fachmann eine Reihe von Anwendungen
und Alternativen, die sich im Schutzumfang der Erfindung befinden.
[0037] Beispielsweise können die Feldverstärkerplatten 82 aus magnetischen Blechen oder
Bändern hergestellt sein. Die damit unterschiedlichen Dicken der eingesetzten Materialien
spielen für die Funktion der Polstücke 84, 85 nur eine untergeordnete Rolle, die Anzahl
der herzustellende Verbindungen sinkt vorteilhafterweise allerdings mit der Zunahme
der Dicke des verwendeten Materials.
[0038] So sind also Feldverstärkerplatten vorstellbar, die aus einem so dicken Blechstück
hergestellt sind, daß sie als Polstücke 84, 85 dienen und gleichzeitig die Scheibenabschnitte
ersetzen. In diesem Fall wird lediglich noch der Streifenabschnitt mit den Feldverstärkerplatten
28 erfindungsgemäß verbunden.
[0039] Die Fig. 3 zeigt eine zweite scheibenförmige Struktur 12 zur mechanischen Stabilisierung
eines Kontaktstückes bei dem ein hufeisenförmiges Polstück vorgesehen ist, in Draufsicht.
Die zweite scheibenförmige Struktur 12 weist einen in etwa hufeisenförmigen Abschnitt
60 sowie einen weiteren Abschnitt 62 auf, die sich in dieser Ansicht genau zu einer
Kreisfläche ergänzen. An ihrer Berührungsfläche werden der hufeisenförmige Abschnitt
60 und der weitere Abschintt 62 mit einer der vorgenannten Verbindungstechniken fest
verbunden. Der hufeisenförmige Abschitt 60 ist aus magnetischem Material und dafür
vorgesehen auf einer seiner hufeisenförmigen Seiten mit einem Polstück verbunden zu
werden oder der hufeisenförmigen Abschnitt ist selbst als Polstück vorgesehen und
daher entsprechend ausgebildet. Der weitere Abschnitt 62 ist aus einem unmagnetischen
oder gering magnetischen Material und wirkt, wie im beschriebenen Fall eines Kontaktstückes
mit zwei Polstücken als Verbindungselement, mechanisch stabilisierend. Der mittlere
Durchbruch besitzt die gleiche Bezugsziffer wie die Fig. 1 und 2.
1. Kontaktstück (14) für Axialmagnetfeldanwendungen in einer Vakuumkammer, mit wenigstens
einem Polstück (84, 85), einer Kontaktschicht (90) sowie einer Struktur (13) zur mechanischen
Verstärkung des Kontaktstückes (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (13) wenigstens ein Bauelement (76, 77) aus einem magnetischen
Werkstoff sowie ein Verbindungselement (78) aus einem unmagnetischen oder gering magnetischen
Werkstoff aufweist, wobei das Verbindungselement (78) fest mit dem wenigstens einen
Bauelement (76, 77) verbunden ist und daß das wenigstens eine Bauelement (76, 77)
sowie das Verbindungselement (78) so einander zugeordnet sind, daß ein magnetischer
Kurzschluß zwischen den verbundenen Bereichen des einen oder zwischen den wenigstens
zwei Bauelementen (76, 77) vermieden ist.
2. Kontaktstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (13) eine Platte
ist.
3. Kontaktstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Bauelement
(76, 77) der Struktur zu wenigstens einem Polstück (84, 85) geformt sowie zwei Bereiche
eines oder die wenigstens zwei Polstücke (84, 85) durch das Verbindungselement (78)
fest verbunden sind.
4. Kontaktstück nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
wenigstens eine Polstück (84, 85) mittels mehrerer plattenartiger Bauteile aufgebaut
ist, die mit jeweils einem zwischen zwei zu verbindenden plattenartige Bauteile gebrachten
Lot verbunden werden, wobei die plattenartigen Bauteile aus einem magnetischem Werkstoff
hergestellt sind.
5. Kontaktstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenartigen Bauteile
aus magnetischem Blech hergestellt sind, beziehungsweise geschnitten, gestanzt oder
gepreßt sind.
6. Kontaktstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenartige Bauteile
aus magnetischem Bandmaterial hergestellt sind, beziehungsweise geschnitten, gestanzt
oder gepreßt sind.
7. Kontaktstück nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Platte aus plattenartigen Bauteilen und einem Verbindungselement hergestellt ist,
die unterschiedliche Dicken aufweisen, wobei die Platte auf einer Seite plan ist.
8. Kontaktstück nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
wenigstens eine Polstück (84, 85) ein sog. Grünling, ein aus zumindest teilweise magnetischem
Pulver gepreßtes, formbeständiges Bauteil, ist.
9. Kontaktstück nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
wenigstens eine Bauelement (76, 77) sowie das Verbindungselement (78) der Struktur
(13) durch eine Verbindungstechnik zusammengefügt sind, die eine ausreichend hohe
mechanische und thermische Festigkeit der Verbindung gewährleistet, wobei die Verbindungstechnik
beispielsweise Laserschweißen, Elektronenstrahl-schweißen, Löten oder gleichartige
Verbindungstechnik sein kann.
10. Kontaktstück nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verbindungselement (78) mittig eine Aushebung zur Aufnahme eines Kontaktträgers (96)
aufweist.