Kontaktanordnung für Vakuumschalter

Abstract

 In einer Kontaktanordnung mit Axialfeldkontakten bilden die Kontaktträger (2) jeweils eine Seitenwand einer zylindrischen Kammer und sind jeweils mit schrägen Schlitzen (10) versehen und mit einer Kontaktscheibe (4) abgedeckt. Erfindungsgemäß enthält die Kammer einen Profilkörper (12 bis 16) aus ferromagnetischem Material mit im wesentlichen zylindrischem Außenmantel, dessen Außendurchmesser nicht wesentlich geringer ist als der Innendurchmesser der Kammer. Im achsnahen Bereich bildet der Profilkörper (12 bzw. 16) wenigstens an der Kontaktscheibe (4) einen Hohlraum (16 bis 20). Durch diesen Profilkörper (12 bis 16) wird das Magnetfeld über dem Durchmesser der Kontakte etwa gleichmäßig verteilt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschafter mit koaxial einander gegenüber angeordneten Kontakten, deren Kontaktträger jeweils eine Seitenwand einer zylindrischen Kammer bilden und mit in den beiden Kontakten gleichsinnig zur Achse geneigten Schlitzen versehen und jeweils mit einer Kontaktscheibe abgedeckt sind. Solche Kontakte bilden ein koaxiales Magnetfeld.

[0002] Es ist bekannt, ein Ansteigen der Lichtbogenspannung und den damit verbundenen hohen Leistungsumsatz in Vakuumschattem durch ein koaxiales Magnetfeld im Spalt zwischen den geöffneten Kontakten zu verhindern. Zu diesem Zweck kann eine die Schattkammer zylindrisch umgebende Spule vorgesehen sein, die mit den Schattkontakten elektrisch in Reihe liegt und ein vom Strom abhängiges axiales Magnetfeld aufbaut, das den Spalt zwischen den Kontakten durchsetzt. Zur Erhöhung der Feldstärke im Kontaktspalt kann die Spule mehrlagig aufgebaut sein. Die Herstellung solcher Vakuumschalter erfordert aber einen verhältnismäßig großen Aufwand.

[0003] Man hat deshalb in einer Ausführungsform einer Kontaktanordnung mit zwei koaxial zueinander angeordneten und im wesentlichen zylindrischen Kontakten den Mantel der Kontakte als Schraubenlinie ausgebildet, die in den beiden Kontakten den gleichen Drehsinn hat und vom zu schaltenden Strom gleichsinnig durchflossen wird. Durch die drehstabähnliche Mantelform des Kontaktes erhält man eine azimutale Komponente des Stromes, die zwischen den Kontakten ein axiales Magnetfeld erzeugt, dessen Feldstärke eine diffuse Lichtbogenform bewirkt. Um dieses Feld im Kontaktspatt zu konzentrieren, enthalten die Kontakte jeweils einen koaxialen Kern aus ferromagnetischem Material. Durch diese Eisenkerne wird im Kontaktspalt ein Magnetfeld konzentriert, das von der Kontaktachse aus in radialer Richtung abnimmt (DE-OS 3112009).

[0004] In einer weiteren bekannten Ausführungsform einer Kontaktanordnung sind etwa schalenförmige flache Topfkontakte vorgesehen, deren Kontaktträger eine zylindrische Kammer als Seitenwände umgeben, die jeweils durch eine Kontaktscheibe abgedeckt sind. Das Axiatfetd erhält man durch gegenüber der Achse geneigte schräge Schlitze in den Kontaktträgem mit in den beiden Kontakten gleichsinniger Drehrichtung. Zwischen der Kontaktscheibe und dem Kontaktboden ist ein Stützkörper vorgesehen, der aus im wesentlichen radial angeordneten Blechen aus ferromagnetischem Material bestehen kann. Dieser Stützkörper bewirkt somit ebenfalls eine Feldkonzentration im achsnahen Bereich der Kontakte (DE-OS 3227482).

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktanordnung der eingangs genannten Art dadurch zu verbessem, daß durch besondere Gestaltungsmerkmale ein weitgehend homogenes Magnetfeld zwischen den geöffneten Kontakten hergestellt wird.

[0006] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine Feldkonzentration im achsnahen Bereich vermieden werden nuß und sie besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Mit dieser Gestaltung erhält man eine weitgehenae Homogenisierung des axialen Magnetfeldes in radialer Richtung zwischen den geöffneten Kontakten bis nahe an die Kontaktränder. Durch den ferromagnetischen Profilkörper erhält man eine Verstärkung des Magnetfeldes in radialer Richtung zum Rand der Kontakte und somit ein etwa gleichmäßig über den Durchmesser der Kontakte verteiltes Magnetfeld. Zur Bildung des Hohlraumes kann der Profilkörper an seiner der Kontaktscheibe zugewandten Stimfläche im zentralen Bereich mit einer Ausnehmung versehen sein, bei der die Schnittkante ihres Querschnitts in Achsrichtung eine Kurve ergibt oder auch stufenförmig verläuft Er kann ferner aus einer Bohrung bestehen, in der gegebenenfalls noch ein zusätzlicher Stützkörper aus unmagnetischem Material angeordnet sein kann.

[0007] Durch eine Verringerung des Außendurchmessers des ferromagnetischen Profilkörpers unterhalb der Kontaktscheibe kann ein elektrischer Nebenschluß durch Berührung mit der Innenwand des geschlitzten Kontaktträgers ausgeschlossen werden. Durch einen isolierenden, vorzugsweise flachen Ring kann eine mechanisch stabile, elektrisch isolierende Unterstützung des Profllkörpers auf der Seite des Kontaktträger-Bodens erzeugt werden.

[0008] Ferner kann ein zentral angeordneter Stützkörper die Kontaktscheibe mit der konkaven Seite des Profilkörpers verbinden. Dadurch können Kräfte aufgefangen werden, welche die Kontaktscheibe und den Kontaktträger belasten. Es kann auch ein als Ring gestalteter Profilkörper vorgesehen sein, der vorzugsweise einen Stützkörper umgeben kann und der gegebenenfalls vom Kontaktboden durch eine elektrisch isolierende Zwischenlage getrennt sein kann.

[0009] Durch eine Verminderung des Stützkörperdurchmessers gegenüber dem Innendurchmesser des ferromagnetischen Profilkörpers kann eine elektrisch leitende Berührung von Stützkörper und Profilkörper auf einen schmalen Bereich beschränkt werden. Durch diese Gestaltungsmerkmale kann verhindert werden, daß der Profilkörper als elektrischer Nebenschluß für den als Spule wirkenden geschlitzten Kontaktträger wirkt

[0010] Zur Unterdrückung von Wirbelströmen kann der Profilkörper mit radialen Schlitzen versehen sein. An seiner dem Boden des Kontakts zugewandten Stimfläche kann der Profilkörper mit wenigstens einer ringscheibenförmigen Erhöhung versehen sein, die als Auflagefläche auf dem Boden des Kontakts dient Dadurch werden über die Kontaktscheibe auf den Profilkörper wirkende Kräfte auf den Boden des Kontakts übertragen und zugleich wird ein elektrischer Nebenschlußstrom über den Profilkörper begrenzt.

[0011] Das der Kontaktscheibe zugewandte Ende des Profilkörpers kann mit einer flanschartigen Erweiterung versehen sein, die in eine entsprechende Ausnehmung des Kontaktträgers hineinragt Dadurch erhält man eine mechanische Halterung des Profilkörpers. In einer besonderen Ausführungsform kann diese flanschartige Erweiterung so weit in den Kontaktträger hineinragen, daß dadurch das Magnetfeld auch im Bereich des Kontaktrandes wesentlich erhöht wird.

[0012] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der verschiedene Ausführungsbeispiele von Kontaktanordnungen nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind. Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines Kontaktes, dessen Profilkörper mit einer Ausnehmung versehen ist, deren Querschnitt eine Kurve bildet. In der Ausführungsform nach Figur 2 ist der Profilkörper mit einer stufenförmigen Ausnehmung und mit einer flanschartigen Erweiterung versehen. In Figur 3 ist ein Profilkörper veranschaulicht, bei dem der Hohlraum einen Stützkörper enthält

[0013] In der Ausführungsform nach Figur 4 ist ein ringförmiger Profilkörper vorgesehen. In Figur 5 ist ein Kontakt mit einer weiteren Gestaltung des Profilkörpers schematisch veranschaulicht Der Verlauf des magnetischen Feldes ist in Figur 6 in einem Diagramm dargestellt. Figur 7 zeigt schematisch die Zuordnung des Profilkörpers zum Diagramm.

[0014] In der Ausführungsform nach Figur 1 besteht ein Kontakt für Vakuumschalter im wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Kontaktträger 2, einer Kontaktscheibe 4 und einem Kontaktboden 6, der an einer Stromzuführung 8 in der Form eines zylindrischen Bolzens befestigt ist. Der Kontaktträger 2 ist derart mit gegenüber der nicht näher bezeichneten Rotationsachse des Kontakts geneigten Schlitzen versehen, daß die zwischen den Schlitzen entstehenden Teile jeweils ein Spulenelement für den Strom bilden. Diese Schlitze 10 sind mit einem in der Figur nicht dargestellten weiteren Kontakt der Kontaktanordnung gleichsinnig geneigt, so daß innerhalb der Kontakte und zwischen den geöffneten Kontakten ein axiales Magnetfeld entsteht.

[0015] Der Kontaktträger 2 bildet die Seitenwand einer hohlzylindrischen und in der Figur nicht näher bezeichneten Kammer, in der ein ferromagnetischer Profilkörper 12 angeordnet ist, der an seinem der Kontaktscheibe 4 zugewandten Ende durch eine konkave Ausnehmung einen Hohlraum 16 bildet. Durch diesen Profilkörper wird das axiale Magnetfeld in radialer Richtung gedehnt und somit das Magnetfeld etwa gleichmäßig über den Durchmesser der Kontakte verteilt. Die Ausnehmung kann beispielsweise als Hohlkegel oder als Hohlkugel-Abschnitt gestaltet sein.

[0016] In der Ausführungsform einer Kontaktanordnung nach Figur 2 ist ein Profilkörper 13 vorgesehen, dessen der Kontaktscheibe 4 zugewandtes Ende mit einer Ausnehmung versehen ist, die einen Hohlraum 17 bildet, der sich von der Achse in radialer Richtung stufenförmig erweitert. Der Profilkörper 13 ist an seinem der Kontaktscheibe 4 zugewandten Ende mit einer flanschartigen Erweiterung 23 versehen, die in eine entsprechende, nicht näher bezeichnete Ausnehmung des Kontaktträges 2 hineinragt und als Halterung für den Profilkörper dient. Die Höhe H des Profilkörpers 13 ist geringer als die Tiefe T des vom Kontaktboden 6 und Kontaktträger 2 gebildeten Topfes. Außerdem kann auch der Außendurchmesser des Profilkörpers 13 etwas geringer als der Innendurchmesser der Kontaktträger 2 bemessen sein. In dieser Ausführungsform ist somit ein Nebenschluß des Stromes über den Profilkörper 13 praktisch ausgeschlossen.

[0017] Nach Figur 3 ist ein Profilkörper 14 vorgesehen, der einen Hohlraum 18 bildet, in dem ein Stützkörper 26 aus elektrisch wenigstens schlecht leitendem und nichtmagnetischem Material angeordnet ist. Dieser Profilkörper 14 ist an seinem dem Boden 6 des Kontakts zugewandten Ende mit ringförmigen Vorsprüngen 24 versehen, die zur Abstützung auf dem Boden 6 des Kontakts dienen und die Auflagefläche des Profilkörpers 14 auf dem Boden 6 entsprechend vermindern. Deshalb ist auch ein Nebenschluß des Stromes über dem Profilkörper 14 erheblich vermindert.

[0018] In der Ausführungsform nach Figur 4 ist ein etwa ringförmiger Profilkörper 15 vorgesehen, der vorzugsweise noch einen zusätzlichen Stützkörper 27 umgeben kann. Dieser Stützkörper besteht aus nichtmagnetischem Mate nal. beispielsweise rostfreiem Stahl, und gegebenenfalls aus elektrisch isolierendem Matenal, beispielsweise Keramik. Ein elektrischer Nebenschluß des Stromes über dem Profilkörper 15 wird durch eine elektrisch isolierende Zwischenlage 28 in der Form einer Ringscheibe verhindert. Der Außendurchmesser des Stützkörpers 27 ist etwas geringer als der Innendurchmesser des Profilkörpers 15, so daß eine elektrisch leitende Berührung von Stützkörper 27 und Profilkörper 15 auf einen schmalen Bereich unterhalb der Kontaktscheibe 4 begrenzt wird. Der flanschartige Fortsatz 23 des Profilkörpers 15 ragt noch so weit in den Kontaktträger 2 hinein, daß dadurch das axiale Magnetfeld auch im Bereich des Außenrandes der Kontakte erhöht wird. Der durch den unmagnetischen Stützkörper 27 verursachte Nebenschluß beträgt nur etwa 5 % des Gesamtstromes.

[0019] In der Ausführungsform nach Figur 5 besteht ein Kontakt für Vakuumschalter im wesentlichen aus dem hohlzylindrischen Kontaktträger 2 der Kontaktscheibe 4 und dem Kontaktboden 6, welcher an der Stromzuführung 8 in der Form eines zylindrischen Bolzens befestigt ist Der Kontaktträger 2 ist mit den Schlitzen 10 versehen.

[0020] Der Kontaktträger 2 bildet die Seitenwand einer Kammer, die einen Hohlraum 20 umgibt und die einen ferromagnetischen Profilkörper 16 enthält, der im wesentlichen schalenförmig gestaltet ist, jedoch im achsnahen Bereich mit einer Erhöhung 34 versehen ist. Durch diese Erhöhung 34 ergibt sich ein verminderter "Polschuhabstand" im achsnahen Bereich für das axiale Magnetfeld, wodurch man eine homogenere Strombelastung der Kontaktoberfläche und damit eine entsprechend erhöhte Schaltleistung der Kontaktanordnung erhält. In Achsrichtung vor und hinter dem Profilkörper 16 ist jeweils ein Stützkörper 36 bzw. 37 angeordnet, die aus elektrisch schlecht leitendem, unmagnetischem Material, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, bestehen.

[0021] Der mit dem Boden 6 des Kontakts verbundene, vorzugsweise zylindrische Stützkörper 36 kann zweckmäßig so dimensioniert werden, daß sein Widerstand für axiale Stromrichtung groß ist gegenüber dem Widerstand R_sp des als Axialfeldspule wirkenden Kontaktträgers 2. Zu diesem Zweck wird die freie Länge l₁ des Stützkürpers 36 so bemessen, daß die Bedingung

l₁ sehr viel größer als π/4 . a . d² . R _sp

erfüllt ist. Dabei ist a die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Stützkörpers 36 und d dessen Durchmesser. Mit einem Stützkörper 36 aus Chrom-Nickel-Stahl mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit σ - = 1,4 Sm/mm² und einem Durchmesser d = 13 mm sowie einem Spulenwiderstand R_sp = 2,3 µΩ muß l₁ sehr viel größer als 0,43 mm gewählt werden. In der Ausführungsform nach Figur 5 mit einem Kontakt, dessen Außendurchmesser beispielsweise 2 rk = 100 mm beträkgt erfüllt die Länge l₁ mit 13 mm diese Bedingung. Der Widerstand des Stützkörpers 36 über die Länge l₁ beträgt dabei 70 µΩ, so daß weniger als 3 % des Gesamtstromes durch den Stützkörper 36 fließen und somit über 97 % des Gesamtstromes zur Erzeugung des axialen Feldes genutzt werden können.

[0022] Im Diagramm der Figur 6 ist die im Spalt zwischen den geöffneten Kontakten erzeugte axiale magnetische Induktion B_z pro Ampere-Windungszahl I . W in uT/(A.W) in Abhängigkeit vom Radius r aufgetragen. Mit dem Profilkörper 16, welcher die achsennahe Erhöhung 34 besitzt, erhält man einen Feldverlauf, wie er durch die ausgezogene Kurve angegeben ist Der Feldverlauf mit einem Profilkörper ohne die Erhöhung 34 ist im achsnahen Bereich gestrichelt angedeutet. Man erhält somit eine gleichmäßigere Feldverteilung zwischen den geöffneten Kontakten, wenn der Profilkörper 16 die achsennahe Erhöhung 34 besitzt.

[0023] Der Figur 7 sind die beiden im Diagramm nach Figur 6 entsprechenden Profile des Profilkörpers 16 mt und ohne die Erhöhung 34 und ihre Zuordnung zum Diagramm zu entnehmen.

[0024] In der Ausführungsform einer Kontaktanordnung mit einem Profilkörper 12 bis 16 nach der Erfindung kann der Neigungswinkel der Schlitze 10 kleiner gewählt werden als bei einer Ausführungsform ohne den ferromagnetischen Profilkörper. Dementsprechend vermindert sich der Aufwand für die Herstellung der Schlitze 10. Der Mehraufwand für die Herstellung des ferromagnetischen Profilkörpers 12 bis 16 und des isolierenden Ringes 28 wird teilweise kompensiert.

Ansprüche

1. Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit koaxial einander gegenüber angeordneten Kontakten, deren Kontaktträger (2) jeweils eine Seitenwand einer zylindrischen Kammer bilden und mit in den beiden Kontakten gleichsinnig zur Achse geneigten Schlitzen (10) versehen und mit einer Kontaktscheibe (4) abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer einen Profilkörper (12 bis 15) aus ferromagnetischem Material mit im wesentlichen zylindrischem Außenmantel enthält, dessen Außendurchmesser nicht wesentlich geringer ist als der Innendurchmesser der Kammer und der im achsnahen Bereich wenigstens an der Kontaktscheibe (4) einen Hohlraum (16 bis 19) bildet.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (16) aus einer konkaven Ausnehmung des Profilkörpers (12) besteht

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilkörper (₁3) an seinem der Kontaktscheibe (4) zugewandten Ende mit einem Flansch (23) versehen ist.

4. Kontaktanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) des Profilkörpers (13) geringer ist als die Tiefe (T) der Kammer.

5. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis ₄, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kontaktboden (6) zugewandte Stirnfläche des Profilkörpers (14) mit Fortsäten (24) versehen ist.

6. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis ₅, dadurch gekennzeichnet, daß im achsnahen Bereich des Hohlraumes (18, 19) ein Stützkörper (26, 27) vorgesehen ist.

7. Kontaktanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (26, 27) aus elektrisch wenigstens schlecht leitendem und nichtmagnetischem Material besteht.

8. Kontaktanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Stützkörpers (27) über einen wesentlichen Teil seiner Höhe geringer ist als der Innendurchmesser des Profilkörpers (15).

9. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohlzylindrischer Profilkörper (15) vorgesehen ist.

10. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Profilkörper (₁5) und dem Kontaktboden (6) eine elektrisch isolierende Zwischenlage (28) vorgesehen ist.

11. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilkörper (12 bis 15) mit radialen Schlitzen versehen ist

12. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 1₁, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer einen Profilkörper (16) aus ferromagnetischem Material enthält, dessen der Kontaktscheibe (4) zuge wandte Oberfläche mit einer Ausnehmung versehen ist, die im achsnahen Bereich eine Erhöhung (34) enthält, und daß zwei Stützkörper (36, 37) aus elektrisch schlecht leitendem, unmagnetischem Material in Achsrichtung derart hintereinander angeordnet sind, daß einer vor und einer hinter dem Profilkörper (16) angeordnet ist (Figur 5).

13. Kontaktanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kontaktboden (6) und dem Profilkörper (16) ein zylindrischer Stützkörper (36) angeordnet ist der bemessen ist nach der Bedingung
l₁ » π/4 . σ . d² . R_sp,
wobei l₁ die freie Länge des Stützkörpers (36) und a die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Stützkörpers (36) und d der Durchmesser des Stützkörpers (36) und R_sp der elektrische Widerstand des als Axialfeldspule wirkenden Kontaktträgers (2) ist.

Zeichnung