[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit axialem
Magnetfeld, deren Kontaktstücke 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 Kontaktstücke.
[0002] 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 Vielzahl spezieller
Kontaktgeometrien vorgeschlagen, die den Schaltstrom in der Nähe der Kontaktkörper
in azimutaler Richtung führen. Hierdurch wird während des Schaltens zwischen den
Kontaktstücken ein axiales Magnetfeld erzeugt und so ein über die gesamte Kontaktfläche
gleichmäßig diffus verteilten Schaltlichtbogen bewirkt.
[0003] 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 Kontakt trägerböden, in scheibenförmigen Kontaktkörpern
oder auch in Kontaktringen Wirbelströme induziert. Derartige Wirbelströme erzeugen
Sekundär-Magnetfelder, welche das axiale Magnetfeld in der Amplitude schwächen und
bezüglich 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 Magnetfeld verhindert das schnelle Abströmen der noch vorhandenen Ladungsträger
aus dem Kontaktspalt und begünstigt ein unerwünschtes Wiederzünden des Lichtbogens.
[0004] 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 vorhanden sind und
der scheibenförmige Kontaktkörper zur Vermeidung von Wirbelströmen radial geschlitzt
ist. Weiterhin ist aus der DE-OS 32 31 593 ein Aufbau eines Kontaktes aus azimutalen
Stromleitern bekannt, die durch eine mehrfache, gleichsinnige Schlitzung eines Topfkontaktes
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 Magnetfeldausbildung dargestellt, wobei der Strom in der Kontaktscheibe
vielfach mäanderhaft in der Lichtbogenebene verläuft und der Kontaktkörper durch
breite Schlitze in mehrere Teile unterteilt ist.
[0005] 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 erforderlich
sind, wobei in der Praxis durchweg von der Notwendigkeit solcher Schlitze ausgegangen
wird.
[0006] Nachteilig beim Stand der Technik ist, daß wegen der breiten radialen Schlitze in
der dem Lichtbogen zugewandten 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 Kontaktscheibendurchmessers erfolgen, um die Stabilität des Kontaktkörpers
zu erhalten. Wegen der fehlenden Schlitzung im zentralen Bereich der Kontaktscheiben
bleiben die dort fließenden Winkelströme voll wirksam.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es daher, Kontakte für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld
zu schaffen, bei denen Wirbelströme und damit gekoppelte axiale Restmagnetfelder
im Stromnulldurchgang weitgehend verhindert werden, ohne daß störende Schlitze auf
der Kontaktfläche des Kontaktkörpers angebracht werden müssen.
[0008] Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Spezielle Verfahren
zur Herstellung der zugehörigen Kontaktstücke sind in den Ansprüchen 15 bis 17 angegeben.
[0009] Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, in Axialfeld-Kontaktsystemen solche Kontaktkörper
einzusetzen, welche die angestrebte Verminderung der Wirbelströme dadurch bewirken,
daß mehrere Einzelelemente auf dem Kontaktträger derart angebracht sind, so daß sie
durch die Stoßstellen Leitfähigkeitssprünge definieren. Vor teilhaft ist dabei, daß
in der Kontaktfläche selbst an den Stoßstellen nur dünne Spalte vorhanden sind, die
bis ins Zentrum der Scheibe durchlaufen können und die gegenüber den vorbekannten
Schlitzen die gleiche oder sogar eine bessere Wirkung gewährleisten. Vorzugsweise
ist die gesamte Kontaktscheibe aus mehreren gleichartigen kreissektorförmigen Scheibensegmenten
zusammengesetzt, die auf dem Kontaktträger, der das Axialfeld erzeugt, aufgelötet
sind. Durch eine Abschrägung der radial verlaufenden Kanten der Einzelelemente kann
dabei rückseitig ein keilförmiger Querschnitt der radialen Stoßstellen gebildet sein.
[0010] Im Rahmen der Erfindung werden unterschiedliche Herstellungsverfahren für die Kontaktstücke
vorgeschlagen: Beispielsweise lassen sich die einzelnen Segmente durch spanende oder
spanlose Formung fertigen. Durch ein besonders angepaßtes Lichtbogenumschmelzverfahren
von CuCr-Kontaktmaterial und nachfolgender Umformung lassen sich aus kreiszylindrischen
Rohlingen Segmente mit kreissektorförmigen Querschnitt herstellen. Dabei können im
einzelnen Segment zusätzliche Leitfähigkeitssprünge durch ringartig angeordnete, chromhaltige
Adern erreicht werden. Derartige Adern bewirken in Ergänzung zum keilförmigen Stoß
zwischen den einzelnen Segmenten eine weitere Verringerung der Wirbelströme. Es ist
aber auch möglich, die konzentrischen Chromadern im Rohling derart auszunutzen, daß
sie nach dem Auftrennen in Kreissektorsegmente zusammen mit den Segmentkanten im
Einzelelement trapezartige Ringabschnitte bilden.
[0011] Durch Hinzufügen von Eisen (Fe) bzw. Aluminium (Al) als weitere Komponenten zum Kontaktmaterial
lassen sich auch gezielt Entmischungen von Fe bzw. Al zum Rand des Rohlinges hin
erzeugen, die bei den aus den Einzelelementen zusammengesetzten Scheiben ebenfalls
Leitfähig keitssprünge bewirken. Dafür können CuCr-Rohlinge auch speziell in einem
Eisenrohr durch Vorwärtsfließpressen umgeformt werden, so daß eine Eisenhaut am Umfang
des Halbzeuges für die kreissektorförmigen Segmente erzeugt wird. Weiterhin kann der
CuCr-Rohling vor der Umformung gezielt mit elektrisch schlecht leitfähigen Werkstoffen
(beispielsweise Fe, Ni, Co, Ti) beschichtet werden, so daß verstärkte Leitfähigkeitssprünge
zwischen den Segmenten entstehen.
[0012] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen
FIG 1 eine Kontaktanordnung für ein Vakuumschaltgerät mit axialem Magnetfeld in Schnittdarstellung,
FIG 2 eine Draufsicht auf einen segmentierten Kontaktkörper zur Verwendung bei FIG
1,
FIG 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in FIG 2,
FIG 4 einen Querschnitt eines zylinderförmigen Rohlings aus Kupfer-Chrom-Schmelzwerkstoff,
FIG 5 ein daraus mit sechs kreissegmentartigen Einzelelementen gefertigten Kontaktkörper
und
FIG 6 ein aus dem Rohling gemäß FIG 4 durch Umformen hergestelltes kreissegmentartiges
Einzelelement.
[0013] In FIG 1 besteht ein Kontaktstück 1 eines Vakuumschalters 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 Achsrichtung 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. Im Kontaktträger 2 bzw. 2′ ist ein Stützkörper 5 bzw. 5′ aus elektrisch schlecht
leitendem Material, beibeispielsweise Chrom/Nickel-Stahl in Doppel-T-Form, eingefügt.
[0014] Auf dieser Anordnung befindet sich beispielsweise eine Kontaktscheibe 10 bzw. 10′
aus geeignetem 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 soweit wie möglich zum Mittelpunkt verlaufend
Schlitze eingebracht sind. Das Zentrum der Scheibe 10 kann nicht geschlitzt werden,
um eine hinreichende Stabilität des gesamten Kontaktstückes zu gewährleisten.
[0015] Aus FIG 2 ist ersichtlich, daß der Kontaktkörper 10 aus sechs gleichartigen Einzelelementen
11 besteht, welche jeweils eine kreissektorförmige Grundfläche mit radialen Kanten
12 und 13 und Kreissegmentumfang 14 haben, wobei die Kanten 12 und 13 einen Mittelpunktswinkel
von 60 ° einschließen. Die sechs Einzelelemente 11 sind derart zusammengefügt, daß
sie insgesamt eine Kreisscheibe bilden, wobei zwei Kanten 12 und 13 jeweils parallel
verlaufen und radiale Stoßstellen 25 bilden. Die Scheibe ist zweckmäßigerweise azimutal
derart orientiert und auf dem geschlitzten Kontaktträger 2 aufgelötet, daß die radialen
Stoßstellen 25 der Schlitzung 3 bzw. 3′ entsprechend zugeordnet sind.
[0016] Die einzelnen Segmente 11 können durch spanende oder spanlose Formung hergestellt
werden. Die Segmente 11 sind an den radial verlaufenden Kanten 12 und 13 gemäß FIG
3 vorteilhafterweise abgeschrägt, wobei die Schrägung jeder Kante 13 und 15 zur Senkrechten
zwischen 5 und 45°, beispielsweise bei 15°, liegen kann. Durch das Zusammenfügen zweier
Segmente 11 mit entsprechenden Abschrägungen entsteht dadurch ein zur Kontaktrückseite
offener Keil von beispielsweise etwa 30°. Der Keilwinkel α zwischen zwei benachbarten
Segmenten 11, kann zwischen 10 und 90° liegen. Es sind auch Keilformen mit Halbrund-
oder Viereckprofil möglich.
[0017] Beim Auflöten der Segmente 11 auf den Kontaktträger 1 bzw. den Stützkörper 5 gemäß
FIG 1 füllt das Lot, das zum Auflöten der Segmente benötigt wird, die Trennfugen zwischen
den Segmenten 11 nicht aus. Es ist zwar auf der Oberfläche des Kontaktkörpers 10 eine
durchgehende Fläche gebildet, aber gleichzeitig durch die rückseitigen Keile 15 ein
hinreichender Leitfähigkeitssprung gewährleistet.
[0018] Durch besondere Herstellungsverfahren der Kreissegmente lassen sich die Leitfähigkeitsprünge
an den Stoßstellen noch verstärken, was anhand FIG 4 bis FIG 6 erläutert wird:
[0019] Bei Verwendung von CuCr-Schmelzwerkstoffen kann ein zylinderförmiger Rohling 100
im Lichtbogen-Umschmelzverfahren hergestellt werden. Das metallographisches Querschnittsbild
eines solchen Rohlings 100 zeigt, daß konzentrische Chromadern 105 bis 107 vorliegen,
die im Normalfall zur Herstellung möglichst homogenen Kontaktwerkstoffen eher unerwünscht
sind. Die Chromadern 105 bis 107 sind in den Figuren 4 bis 6 durch Strichlierung dargestellt.
Sie ergeben sich aber in der Praxis weniger deutlich und auch ungleichmäßig.
[0020] Durch Auftrennen in Segmente mit kreissektorförmigen Querschnitt und Zusammensetzen
der Segmente zu einer Kreisscheibe lassen sich solche Kontaktkörper 110 fertigen,
bei denen im Einzelelement 111 jeweils sich radial verjüngende trapezartige Ringbereiche
vorlieliegen, die von den konzentrischen Chromadern 105 bis 107 einerseits und den
radialen Stoßfugen 125 der Segmentkanten 112 und 113 andererseits begrenzt werden.
Eine solche Struktur kann in optimaler Weise zur Lokalisierung der induzierten Ströme
I
R und damit Kompensierung der unerwünschten Wirbelströme dienen.
[0021] Alternativ zu FIG 5 lassen sich durch eine Umformung des kreiszylinderförmigen Rohlings
100 zu einem Halbzeug mit kreissektorförmigen Querschnitt Einzelsegmente 211 mit ringartig
angeordneten, chromhaltigen Adern 205 bis 207 herstellen, was in FIG 6 angedeutet
ist. Sechs Einzelsegmente 211 bilden den gesamten scheibenförmigen Kontaktkörper
210. Insbesondere durch den Ring 205 am Umfang des Segmentes 211 kann somit zusammen
mit einem ggfs. keilförmigen Stoß 225 zwischen den Einzelsegmenten 211 die Ausbildung
von Wirbelströmen hinreichend reduziert werden.
[0022] Auch bei stumpfen Stoß zwischen Einzelsegmenten, d.h. ohne keilförmigen Spalt, können
bereits die Wirbelströme erheblich reduziert werden, da die beim Schaltvorgang überschmolzenen
Stoßkanten durch Erstarrungsschwindung Risse zeigen. Diese erwünschte Rißbildung baut
außerdem Schrumpfspannungen in der Kontaktscheibe ab, die anderenfalls zu Verwerfungen
in der Kontaktfläche führen können. Als zusätzlicher Vorteil speziell eines umgeformten
Kontaktmaterials ergibt sich, daß aufgrund der Verformung des Werkstoff-Rohlings in
Achsrichtung in dem aus den Einzelsegmenten 211 zusammengesetzten Kontaktkörper 210
axial ausgerichtete Cr-Dendrite vorhanden sind, die eine besonders hohe Abbrandfestigkeit
und damit eine erhöhte thermische Belastbarkeit im Schaltlichtbogen sicherstellen.
[0023] Durch Zusatz von Eisen (Fe) und/oder Aluminium (Al) zur CrCu-Legierung läßt sich
beim Lichtbogenumschmelzen sogar eine gezielte Entmischung von Fe bzw. Al am Rand
des Rohlings erreichen. Diese Zone wirkt nach der Umformung des Rohlinges zum Halbzeug
mit kreissektorförmigen Querschnitt für die Einzelsegmente ähnlich wie eine Chrom-Ader,
bewirkt aber in viel stärkerem Maße einen elektrischen Leitfähigkeitssprung. Insbesondere
solche Segmente können stumpf aneinander gesetzt und mit dem Kontaktträger 2 und Stützkörper
5 verlötet werden.
[0024] Speziell bei letzterer Ausführungsform kann also wegen der wesentlich schlechteren
Leitfähigkeit des Eisens oder des Aluminiums auf die Keilform an der Kontaktkörperrückseite
gemäß FIG 3 verzichtet werden.
[0025] In einem abgewandelten Herstellungsverfahren kann ein CuCr-Rohling in einem Eisenrohr
durch Vollvorwärtsfließpressen zu kreissektorförmigem Halbzeug umgeformt werden.
Die daraus abgetrennten Segmente haben herstellungsbedingt eine schlecht leitfähige
Eisenhaut, welche ebenfalls im Sinne obiger Ausführungen vorteilhaft als Leitfähigkeitssprung
genutzt werden können. Die gleiche Wirkung kann durch Beschichtung der Rohlinge bzw.
Halbzeug mit schlecht leitfähigen Materialien, beispielsweise Eisen (Fe), Nickel
(Ni), Kobalt (Co) oder Titan (Ti) erzielt werden. Letzteres kann bei Segmenten ohne
Umformung gemäß FIG 5 oder auch bei Segmenten mit Umformung gemäß FIG 6 erfolgen.
[0026] Die Erfindung wurde vorstehend an einem CuCr-Basiswerkstoff mit einem Massengehalt
von 30 bis 60 % Chrom als Kontaktmaterial beschrieben. Auch mit aus anderen Werkstoff-Systemen,
beispielsweise auf CuW- oder CuMo-Basis, sind Kontakte gemäß der Erfindung herstellbar.
1. Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld, deren Kontaktstücke
scheibenförmige Kontaktkörper enthalten, wobei die Kontaktkörper auf Kontaktträger
aufgelötet sind und Mittel zur Verminderung von Wirbelströmen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper (10, 110, 210) aus mehreren Einzelelementen (11, 111, 211)
besteht, die auf dem Kontaktträger (2) derart angebracht sind, daß ihre Kanten (12,
13; 112, 113; 212, 213) Stoßstellen (25, 125, 225) bilden und damit Leitfähigkeitssprünge
zur Unterdrückung der Wirbelströme definieren.
2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßstellen (25) der Einzelelemente (11) rückseitig einen Keil mit dreieckigem,
viereckigem oder konkaven Querschnitt bilden.
3. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11) an ihren Kanten (12, 13) rückseitig abgeschrägt sind,
wobei die Abschrägung zur Senkrechten bezüglich der Kontaktfläche zwischen 5 und 45°,
vorzugsweise bei 15°, liegt.
4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11, 111, 211) kreissektorförmig ausgebildet sind und gegeneinander
jeweils radiale Stoßstellen (25, 125, 225) bilden.
5. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11, 111, 211) jeweils gleichartig sind.
6. Kontaktanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11, 111, 211) 60°-Kreissegmente sind und daß sechs Elemente
(11, 111, 211) das scheibenförmige Kontaktstück (10, 110, 210) bilden.
7. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11, 111, 211) aus einem Werkstoff auf CuCr-Basis bestehen.
8. Kontaktanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der CuCr-Werkstoff einen Gehalt an Massenanteilen von 30 bis 60 % Cr, vorzugsweise
50 % Cr hat.
9. Kontaktanordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß der CuCr-Werkstoff ein durch Lichtbogenumschmelzen hergestellter Werkstoff ist.
10. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Kontaktkörper (10, 110, 210) Zusätze von Komponenten mit geringerer elektrischer
Leitfähigkeit als das Grundmaterial vorhanden sind.
11. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente aus einem CuCrFe-Werkstoff bestehen, wobei der Cu-Massengehalt
50 bis 60 %, der Cr-Massengehalt 20 bis 50 % und der Fe-Massengehalt 5 bis 25 % beträgt.
12. Kontaktanordnung nach Anspruch 7, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff zusätzlich Aluminium (Al) in geringen Mengen enthält.
13. Kontaktanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem kreissegmentartigen Einzelelement (111) die elektrisch schlechter
leitende Komponente konzentrisch (105 - 107) zum Mittelpunkt des durch sechs Kreissegmente
(111) gebildeten Kontaktkörpers (110) ausgeschieden ist und zusätzliche radiale
Leitfähigkeitssprünge im Kontaktkörper (110) definiert.
14. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Einzelelement (211) die elektrisch schlechter leitende Komponente
des Kontaktmaterials ringartig (205 - 207) ausgeschieden ist und dadurch insbesondere
nahe dem Segmentumfang zusätzliche ringartige Leitfähigkeitssprünge definiert.
15. Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken für eine Kontaktanordnung nach Anspruch
1 oder einem der Ansprüche 4 bis 12 oder 14, bei dem Kontaktkörper aus kreissektorförmigen
Einzelelementen auf Kontaktträger aufgelötet werden, wobei das Kontaktmaterial ein
durch Lichtbogenumschmelzen hergestellter Werkstoff ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Lichtbogenumschmelzen eines zylindrischen Rohlings (100) mit kreisförmigem
Querschnitt der Rohling (100) zu Halbzeug (200) mit kreissegmentförmigem Querschnitt
umgeformt wird, aus dem Einzelelemente (211), die axial ausgerichtete Cr-Dendrite
aufweisen, abgetrennt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der CuCr-Rohling (100) in einem Eisenrohr durch Vollvorwärtsfließpressen zum
Halbzeug umgeformt wird, wodurch das Halbzeug eine Deckschicht aus Eisen (Fe) erhält.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der CuCr-Rohling (100) bzw. das Halbzeug mit einem Material geringerer elektrischer
Leitfähigkeit, beispielsweise Eisen (Fe), Nickel (Ni), Kobalt (Co) oder Titan (Ti)
beschichtet wird.