CN101617376A - 触点元件 - Google Patents

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Abstract

一种用于灭弧触头(2，7)的电气触点元件(1，12)，包括布置为与第二触点元件(4，15)相对施加的触点本体(3，13)，其中触点本体包括Mn+1AXn材料，其中M是至少一种过渡金属，A是从周期表第13－17族中选择的至少一种元素，X是C和/或N，且n是1、2、3或更大的值。一种制造包含包括Mn+1AXn材料的触点本体的触点元件的方法。包含包括Mn+1AXn材料的触点本体的电气触点元件在灭弧触头中的应用。

Description

触点元件
技术领域
本发明涉及一种用于灭弧触头的触点元件。本发明还涉及一种用于制造用于灭弧触头的触点元件的方法。
背景技术
灭弧触头(arcing contact)在电技术应用中被广泛使用，例如断路器、发电机断路器、接触器、电力断续器、切断开关、继电器、真空断续器、保险丝、限流器或选择开关。
在该说明书以及随后的权利要求书中，灭弧触头指的是在电弧形成过程中打开或闭合电路的触点元件。
用于灭弧触头的理想材料必须能够承受多种不同的物理现象，例如热冲击、电弧腐蚀/熔化、焊接、磨损和腐蚀。
在现有技术中，灭弧触头例如是由金属基体复合材料制成的，该复合材料由高导电性金属(例如Ag或Cu)与金属(例如W和Ni)、或者具有高熔点和/或硬化效应的陶瓷(例如SnO2、WC)、或者石墨碳化合而成。这样的材料通常是很昂贵的，并且相对于热冲击、电弧腐蚀/熔化、焊接、磨损和腐蚀不容易最优化。
因此，需要一种用于灭弧触头的触点元件，该触点元件包括与用于灭弧触头的常规材料相比更便宜并且相对于例如热冲击、电弧腐蚀/熔化、焊接、磨损和腐蚀更容易最优化的触点材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种相对于已知的触点元件改进的用于灭弧触头的触点元件。
根据本发明的第一个方面，这个目的是通过具有权利要求1的特征的用于灭弧触头的触点元件来实现的。
用于灭弧触头的电触点元件包括被布置为相对第二电气触点元件施加的触点本体，其中该触点本体包括Mn+1AXn材料，其中M是至少一种过渡金属，A是从周期表第13-17族中选择的至少一种元素，X是C和/或N，n是1、2、3或更大的值。例如，过渡金属可以是Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta。例如A元素可以是Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、Cd、In、Sn、Tl、Pb。
从下面的描述以及从属权利要求中将会清楚地得到本发明的优选实施方式。
目前大约有60种已知的MAX材料。该族材料主要是陶瓷，但是另外它们具有使得它们适于作为灭弧触头材料的物理性能。这些性能是，例如良好的热和电传导性、韧性、化学完整性、高熔点、易于制造和良好的机械加工性。而且，它们可以很容易地在复合材料中与金属化合。目前发现，MAX材料特别适于作为灭弧触头中触点本体的触点材料，即当触头断开或者接通时形成电弧的位置处。在放电/断开接触界面，由于热冲击可能会在接触表面形成热裂缝，接触表面的材料会蒸发，并形成触点材料的熔滴。
根据本发明的实施方式，Mn+1AXn材料是M3AX2材料，例如Ti3SiC2。
根据本发明的实施方式，Mn+1AXn材料是M2AX材料，例如Ti2AlC。
根据本发明的实施方式，Mn+1AXn材料是烧结粉末。颗粒尺寸优选地具有在1nm到2mm区间的平均尺寸。
根据本发明的实施方式，该本体包括至少一种下面的材料：金属、金属合金、陶瓷或聚合物。
根据本发明的实施方式，该本体包括磁性材料。这会使电弧不稳定或者使电弧移动，这是触点材料所希望具有的性质。
根据本发明的实施方式，该本体包括至少一种下面的纤维形式的材料：金属纤维、陶瓷纤维或碳纤维。该纤维是有机或无机的。通过添加碳纤维或者金属纤维，触点本体的热传导性和机械性能得到改善。通过添加陶瓷纤维，触点本体的熔点升高，并由此对灭弧触头中的电弧的抵抗力提高。
根据本发明的实施方式，该本体包括至少一种下面的材料：碳纳米管或富勒烯(fullerene)。通过将碳纳米管或富勒烯与触点本体中的MAX材料相混合，可以防止在闭合电路时熔焊的发生。这也会改善触点本体的热传导性，从而使得接触表面的热传递能够得到改善。
根据本发明的实施方式，该本体包括至少一种下面材料的薄膜：陶瓷、聚合物和金属。因此触点元件的化学和热性能得到改善。该薄膜的厚度优选地在0.1nm到500μm区间。
根据本发明的实施方式，该薄膜覆盖在本体的至少一部分接触表面上，以适于与第二触点元件相接触。
根据本发明的实施方式，该本体包括烧结粉末，并且该薄膜被布置为至少部分地围绕该烧结粉末颗粒。通过用陶瓷或金属薄膜至少部分地覆盖粉末颗粒，触点元件可以实现良好的腐蚀性能、高的熔点以及低的电阻率和热阻率。通过用例如聚四氟乙烯加适当的添加剂(例如氰尿酸三聚氰胺或者硫化纤维素)的聚合物至少部分地覆盖粉末，可以得到当断开或连接触点元件和第二触点元件时具有降低触点内电弧的能力的触点元件。当断开或连接触点时，触点本体内的聚合物会产生减小电弧的气体。
根据本发明的实施方式，该本体包括多个薄膜。这些薄膜可以被布置为围绕烧结触点本体内粉末颗粒的至少一部分，或者位于烧结触点本体表面的至少一部分上。
根据本发明的实施方式，该触点本体的至少一部分是表面硬化的。该表面硬化可以是机械的或热力的。
根据本发明的实施方式，触点本体的至少一部分表面通过化学反应得以处理。
根据本发明的实施方式，该烧结本体内的至少一些粉末颗粒已通过化学反应处理过，例如通过氧化。
根据本发明的实施方式，该本体在垂直于被布置为与第二触点元件相对施加的接触表面的方向上的厚度在0.5微米和0.1米之间。在这个区间内的厚度使得可以使用块材料来制造该触点本体，这提供了一种制造触点元件的成本有效方法。
根据本发明的第二方面，该目的是通过包括根据前面任一实施方式的电气触点元件的灭弧触头来实现的，其中该灭弧触头包括第二触点元件。根据一个实施方式，该第二触点元件包含包括Mn+1AXn材料的第二触点本体，其中M是至少一种过渡金属，A是从周期表的第13-17族中选择的至少一种元素，X是C和/或N，n是1、2、3或更大的值。
根据本发明的第三方面，该发明的目的是通过一种根据权利要求15的制造灭弧触头的电气触点元件的方法来实现的。一种用于制造包括布置为与第二触点元件相对施加的触点本体的电气触点元件的方法包括：
-混合至少一种Mn+1AXn材料的粉末，其中M是至少一种过渡金属，A是从周期表第13-17族中选择的至少一种元素，X是C和/或N，n是1、2、3或更大的值，
-形成触点本体，
-烧结该本体。
该触点本体可以直接被烧结成单件，或者通过机械加工或将该烧结的本体形成为该触点本体。并且，该部件可以形成多个触点本体。该部件例如可以是棒或者盘的形式。
根据本发明的实施方式，在烧结该本体之前，该MAX材料与碳、金属或陶瓷的纤维混合。
根据本发明的实施方式，在烧结该本体之前，该MAX材料与金属粉末混合。
根据本发明的一个实施方式，该烧结的部件被热处理，从而使得该本体中的材料发生化学反应。
根据本发明的一个实施方式，用于该触点本体的材料被挤压成形和/或在热或冷环境下被处理。这可以在烧结该本体之前完成，或者取代烧结该本体。
根据本发明的第四方面，本发明的目的是通过应用根据权利要求17或18的电气触点元件来实现的。
附图说明
下面将通过例子并且参考附图对本发明进行详细的描述，附图中：
图1示意性地示出了根据本发明实施方式的触点元件；
图2是根据本发明的一个实施方式的位于中压真空断续器中的触点元件的剖面图；以及
图3是常规灭弧触头材料与根据本发明的触点元件中的MAX材料的体积侵蚀(％)的对比图表。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于根据本发明的灭弧触头2的触点元件1，其中该触点元件1包括触点本体3。该触点本体3构成了与第二触点元件4接触或断开的触点元件1的一部分。该第一触点元件1和第二触点元件4彼此相对布置，并分别布置在第一导体5和第二导体6的端部。该触点本体3包括Mn+1AXn材料。在触头打开或闭合的过程中，电弧形成在第一触点元件1和第二触点元件4之间。
图2是根据本发明一个实施方式的应用在中压真空断续器7中的触点元件12的剖面图。该真空断续器7包括具有金属端板9、10和设置在这两个端板之间的圆柱形绝缘壁11的真空绝缘管8。圆柱形绝缘壁和端板围成密封的体积19。该体积19包括具有第一触点本体13的第一触点元件12。该第一触点本体13构成与第二触点元件14的第二触点本体15接触或断开的触点元件12的一部分。该第一触点元件12和第二触点元件14彼此相对地布置，并分别布置在第一导体16和第二导体17的端部。通常地，触点元件12、14通过焊接被布置在导体16、17上。该第一导体16通过波纹管18与端板9相连接，使得可以不需打破管8内的真空而沿着第一导体16的纵轴运动。电弧屏蔽系统20被布置在绝缘壁的内部，从而防止金属杂质，并且由此防止闪络。根据这个实施方式，第一触点本体13和第二触点本体15包括Mn+1AXn材料。在触头打开和闭合的过程中，形成电弧。
触点本体3、13构成与第二触点元件4、14相接触的触点元件1、12的一部分。根据上面两个实施方式的触点元件1、12既适用于低压断路器，也适用于高压断路器。
图3为根据本发明的包括MAX材料的触头元件与用于灭弧触头的常规材料Cu/W材料之间的体积侵蚀(％)对比图。图表中的MAX材料是Ti2AlC。该常规Cu/W材料包括80wt％的W和20wt％的Cu。从图表中可以看出，Ti2AlC材料的体积侵蚀(％)与常规的Cu/W材料的体积侵蚀(％)相当。
灭弧触头中的电弧可以被触点元件的自通风充气材料或电弧的磁性操作而减小。
本发明绝不仅限于上面描述的优选实施方式；相反对本领域技术人员来说，在不脱离权利要求所限定的本发明基本思想的前提下，很明显还可以有许多可能的改进方式。
根据本发明的触点元件可以被应用在广泛应用中的灭弧触头中，如断路器、发电机断路器、接触器、电力断续器、切断开关、继电器、真空断续器、保险丝、限流器、选择开关。
例如，根据本发明的电气触点元件可用于所有类型的触点，例如电子触点、电力触点、固定触点、断开触点、包括电刷的滑动触点。并且，触点本体的材料可以是与Mn+1AXn材料非常类似的材料，具有类似的化学、物理和机械特性，例如三元或二元陶瓷材料，例如Ti-C复合材料，或下列材料的任意混合物：Mn+1AXn材料、三元和二元陶瓷材料。
触点元件的触点本体中的材料还可以被用在断路器中要求与触点元件相同的材料特性的其他部件上。

Claims (18)

1、一种用于灭弧触头(2，7)的电气触点元件(1，12)，包括布置为与第二触点元件(4，14)相对施加的触点本体(3，13)，其特征在于，所述触点本体(3，13)包括Mn+1AXn材料，其中M是至少一种过渡金属，A是从周期表的第13-17族中选择的至少一种元素，X是C和/或N，n是1、2、3或更大的值。
2、根据权利要求1的电气触点元件(1，12)，其中所述Mn+1AXn材料是M3AX2材料，例如Ti3SiC2。
3、根据权利要求1的电气触点元件(1，12)，其中所述Mn+1AXn材料是M2AX材料，例如Ti2AlC。
4、根据前面任一项权利要求的电气触点元件(1，12)，其中所述Mn+1AXn材料由烧结粉末颗粒制成。
5、根据前面任一项权利要求的电气触点元件(1，12)，其中所述本体(3，13)包括至少一种下列材料：金属、金属合金、陶瓷或聚合物。
6、根据前面任一项权利要求的电气触点元件(1，12)，其中所述本体(3，13)包括磁性材料。
7、根据前面任一项权利要求的电气触点元件(1，12)，其中所述本体(3，13)包括至少一种纤维形式的下列材料：金属纤维、陶瓷纤维、或碳纤维。
8、根据前面任一项权利要求的电气触点元件(1，12)，其中所述本体(3，13)包括下面的至少一种：碳纳米管或富勒烯。
9、根据前面任一项权利要求的电气触点元件(1，12)，其中所述本体(3，13)包括下列材料中至少一种的薄膜：陶瓷、聚合物和金属。
10、根据权利要求9的电气触点元件(1，12)，其中所述薄膜覆盖与所述第二触点元件(4、14)接触的所述本体(3，13)的接触表面的至少一部分。
11、根据权利要求9的电气触点元件(1，12)，其中所述本体(3，13)包括烧结粉末颗粒，并且所述薄膜至少部分地围绕所述烧结粉末颗粒布置。
12、根据前面任一项权利要求的电气触点元件(1，12)，其中所述本体在垂直于接触表面的方向上的厚度在0.0005米到0.1米之间。
13、一种灭弧触头(2，7)，包括根据权利要求1-1 2中任一项的电气触点元件(1，12)，其特征在于，所述灭弧触头(2，7)包括所述第二触点元件(4，14)。
14、根据权利要求13的灭弧触头(2，7)，其中所述第二触点元件(4，14)包括包含Mn+1AXn材料的第二触点本体(3，15)，其中M是至少一种过渡金属，A是从周期表的第13-17族中选择的至少一种元素，X是C和/或N，n是1、2、3或更大的值。
15、一种用于制造灭弧触头的电气触点元件(1，12)的方法，所述灭弧触头包括布置为与第二触点元件(4，14)相对施加的触点本体(3，13)，所述第一触点元件(1，12)包括：
-Mn+1AXn材料的混合粉末，其中M是至少一种过渡金属，A是从周期表的第13-17族中选择的至少一种元素，X是C和/或N，n是1、2、3或更大的值，
-形成本体，
-烧结所述本体，以及
-机械加工烧结的本体。
16、根据权利要求15的方法，其中在烧结所述本体之前，将Mn+1AXn材料与碳、金属或陶瓷的纤维相混合。
17、根据权利要求1-12中任一项的电气触点元件(1，12)在灭弧触头中的应用。
18、根据权利要求1-12中任一项的电气触点元件(1，12)在下列灭弧或断开触点中任一个中的应用：断路器、发电机断路器、接触器、电力断续器、切断开关、继电器、真空断续器、保险丝、限流器、选择开关。
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