CN102037530A

CN102037530A - 用于吹电弧的电触头材料的应用

Info

Publication number: CN102037530A
Application number: CN2009801183666A
Authority: CN
Inventors: L·多夫莱特; C·布尔达; D·让诺; P·拉莫尼; D·吉沃尔; S·里瓦尔多
Original assignee: Mei Taile Technology International Corp
Current assignee: Mei Taile Technology International Corp; Metalor Technologies International SA
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2011-04-27
Also published as: PT2297757E; WO2009141270A1; EP2297757B1; JP2011521418A; IL209303A0; ATE545144T1; HK1152146A1; PL2297757T3; BRPI0913030A2; MX2010012523A; US20110068088A1; SI2297757T1; CA2723770A1; EP2124236A1; EP2297757A1; ES2380310T3

Abstract

本发明涉及材料的应用，该材料包括导电金属母料和具有8和80％之间的材料重量并且包括硬磁相的磁体，所述磁体未被磁化但是在施加到所述材料上的磁场的方向限定的平均取向是可磁化的，以便喷吹两个电触头衬垫之间的电弧，其中至少一个电触头衬垫包括所述材料。

Description

用于吹电弧的电触头材料的应用

技术领域

本发明涉及电触头领域，更具体地，本发明涉及具有灭弧效应的电触头材料的应用。

背景技术

这种类型的材料发现其主要应用于制造所谓的“低压”触头，即，针对这种低压触头的工作范围大约是电压在10和1,000V之间以及电流在1和10,000A之间。这些触头一般用于家庭、工业和汽车领域，既有直流电又有交流电，用于开关、继电器、接触器以及断路器等。

当一对电触头衬垫在电压下断开时，通过电离电流穿过的气体，电流继续从一个衬垫流向另一个衬垫。这种电离的气柱通常叫做“电弧”，其具有决定于不同参数的最长长度，参数例如是气体的性质和压力、端子上的电压、触头材料、设备的几何形状、电路的阻抗等。

由电弧释放的能量足以熔化形成衬垫的材料，这不仅使金属部分退化而且有时候还由于阻断设备而使它们熔合。

在交流电应用中，电压通过零便于切断电弧。尽管如此，一些保护设备不得不切断非常大的电流，这种大电流引起损坏触头的足够强大的电弧。

另一方面，对于直流电应用，电弧非常稳定，特别是当电压明显高于10V时。用于切断电弧的一种解决方案包括增加其长度使得它变得不稳定并且自己消失。对于14V的电压，一毫米数量级的距离是足够的，而对于42V的电压，特别是当存在电感性负载时，这个距离可以是若干厘米。这使切断设备的设计极大地复杂化，并且产生的电弧的延续时间大大地减少切断设备的寿命时间。

这个问题尤其发生在汽车行业中，为了适应用在汽车中逐渐增多的大量电子装置(在顶级车辆中高达上百个电机)该行业考虑使用具有42V直流或者更高直流的电路。在这种电压下，限制与电弧相关的问题的益处是根本的。

因此，电触头的材料应当满足下面三点要求：

-低并且稳定的接触电阻，以便避免当电流流过触头时过分发热；

-在存在电弧的情况下的良好抗熔合性；

-在电弧的作用下具有低烧蚀性。

为了满足这些部分矛盾的要求，一种解决方案包括利用包括银或铜母料和插入在这种母料中的成分(fraction)的假合金，该成分由约10％至50％体积的耐熔颗粒(例如，Ni、C、W、WC、CdO、SnO₂颗粒)组成，其尺寸通常在1μm和5μm之间。因此获得的材料能够较好地经受电弧释放的能量。虽然这是一个令人感兴趣的解决方案，但是用这种方法不可能减少熔化并且因为其重复性，衬垫的烧蚀和熔合问题可能在短期或中期内发生。

在美国专利US3,626,124中描述的另一种解决方案包括利用包含单畴磁性颗粒的材料。这种颗粒在没有施加的外部场的情况下沿着随机取向自发地被磁化。这些颗粒因此初始地被磁化并且不需要任何外部磁化源。由每个磁化的颗粒产生的磁场对切断电弧起作用，便于电弧的吹灭。即便由于加热超过其居里温度(Curie temperature)，所述的颗粒仍然是单畴颗粒，使得在触头先前断开时，吹除效率不受由于该切断电弧产生的热量的影响。但是，每个颗粒单独地对切断电弧起作用，因此磁吹效应很小。因此这种方案不能令人满意。

而且，当在交流电中时，问题在于制造能够切断很大电流的保护性设备(断路器)，这种设备借助于已经提出的便于灭弧或避免弧再点燃的辅助装置：电磁或气动吹灭。

例如，这种使用在实际触头外部的装置的电磁消灭解决方案在欧洲专利文献EP1 482 525中描述。该专利文献公开一种磁装置，其设置在距离触头一定距离处并且产生磁场，该磁场延伸到会在衬垫之间出现的电弧中，其目的是熄灭电弧。但是，由这种方案引起的成本过高、超负荷(congestion)和重量过重使得它有问题，特别是用在汽车中。

除了别的之外，已经提出用非常稳定并且因此难以电离的气体例如SF₆代替存在于分开两个触头的空间中的气体。但是应用这种解决方案很复杂。

因此本发明的目的在于，通过提出一种用于制造触头衬垫的电触头材料的应用克服这些缺点，无论是短期还是长期电弧的能量都不改变所述触头衬垫的操作。

发明内容

更具体说，本发明涉及材料的应用，该材料包括导电金属的母料和具有8％和80％之间的材料重量并且包括硬磁相的磁体，所述磁体未被磁化并且是通过施加在所述材料上的磁场的方向限定的平均取向可磁化的，以便吹灭电触头的两个衬垫之间的电弧，并且因此减少电弧的持续时间，其中至少一个所述衬垫包括所述材料。

本发明还涉及材料的应用，该材料包括导电金属的母料和具有8％和80％之间的材料重量并且包括硬磁相的磁体，所述起初未磁化的磁体通过施加在所述材料上的磁场的方向限定的平均取向被磁化，以便吹灭电触头的两个衬垫之间的电弧，并且因此减少电弧的持续时间，其中至少一个衬垫包括所述材料。

可替代地，该材料还包括在高于900℃的温度稳定的耐熔的成分。

有利的是，磁体的至少一个相是以稀土族为基的磁化合物。

为了能够根据本发明应用，所述材料能够产生磁感应场，在其表面测量该磁感应磁场大于20mT，优选大于60mT，并且更优选大于100mT。

对于根据本发明的应用，观察到对电弧熄灭的特别显著的效果，根据本发明，所述衬垫在其之间限定一个轴线，所述衬垫的其中至少之一用所述材料制造并且具有产生与所述轴线正交的磁场的磁化。

有利的是，所述衬垫的其中至少之一包括具有磁体的所述材料，所述衬垫的其中至少之一具有包括选自银和铜的材料的覆盖层或重迭层。

根据另一方面，本发明涉及电触头衬垫的构成材料，该材料包括导电金属的母料和具有8％和80％之间的材料重量并且包括硬磁相的磁体，所述磁体未被磁化并且是通过施加在所述材料上的磁场的方向限定的平均取向可磁化的，其中至少一个磁相是以除钐之外的稀土族为基的化合物。

本发明还涉及电触头衬垫的构成材料，该材料包括导电金属的母料和具有8％至80％之间的材料重量并且包括硬磁相的磁体，起初未磁化的所述磁体通过施加在所述材料上的磁场的方向限定的平均取向被磁化，其中至少一个磁相是以除钐之外的稀土族为基的化合物。

根据另一方面，本发明涉及用于制造电触头衬垫的方法，该方法包括如下步骤：

-用银或铜制作材料，以便形成所述材料的母料，以及形成包括硬磁体相的磁体，所述磁体是未磁化的，至少其中一个磁相是以稀土族为基的化合物，

-修整衬垫的形状，

-将所述衬垫组装在支持物上，以及

-磁化该衬垫。

根据另一方面，本发明涉及一对电触头的衬垫，所述衬垫在其之间限定轴线，其中所述衬垫中的至少一个用上面限定的材料制造，并且具有产生垂直于所述轴线的磁场的磁化。

在直流电的情况下，已经观察到针对一对电触头的衬垫很好的结果，所述电触头在负极包括用上面限定的材料制造的电触头衬垫。

附图说明

当阅读下面参考附图做出描述时将能够更好地理解本发明，附图示出由电触头的衬垫产生的磁场的不同取向。

具体实施方式

在本发明中所用的触头材料主要由以下部分构成：

●导电金属的母料，通常是银或铜；和

●具有8％和80％之间的材料重量并且包括硬磁相的磁体，所述磁体起初是未磁化的并且是通过施加在所述材料上的磁场的方向限定的平均取向可磁化的。

因此，根据本发明所用的材料起初包含多畴磁体，所述多畴磁体形成起初整体未磁化的组合件(assembly)并且然后其应当通过施加磁场被磁化。优选地，根据本发明所用的材料起初不包含任何自发磁化的单畴实体。

优选地，磁体具有10％至50％之间的材料重量，优选12％至30％之间的材料重量，并且更优选18％至22％之间材料重量。

磁体包括可以从一个或更多硬铁磁或铁磁化合物得到的磁相。有利的是，它们选自以稀土族为基的化合物，提及的化合物中可以用所谓的RE-Fe-B型化合物制造(RE，稀土元素的缩略语)。优选RE是钕或镨。也可以用RE-M型的其他化合物，优选RE是1/5、1/7或21/7型的La、Gd、Y或Lu，并且M大多数是Co或Fe并且可以包含Cu、Zr、Al和其他少数元素。也可以用RE-Fe-N型化合物。

诸如Pt(Fe、Co)族化合物的其他化合物，或者铁酸钡或铁酸锶型化合物也可以是合适的。

也可以预期其他材料，基本要点是磁体具有足够的矫顽磁场和剩余磁感应，以允许它们用于目标应用中，这两个参数都可以用简单的实验测试来估计。实际上，这将在下文中说明，它要求触头产生一定的磁场以便使出现在衬垫之间的可能电弧不稳定。特别必要的是，为了长期应用，在其自身被暴露于磁场之后，该材料具有随时间稳定的足够的剩余磁感应。通过在外部磁场作用下衬垫磁化而获得的这种磁感应的特征在于在衬垫表面产生的磁场，并且在施加的磁场被消除之后继续存在。作为指标，在表面产生的磁场用由Lakeshore分配的霍尔效应探头测量时，应当大于20mT，优选大于60mT，更有选大于100mT。

可选择地，母料包括在900℃以上的温度稳定的耐高温或耐熔的成分。耐高温的成分包括选自下面组的一种或更多元素：CdO、SnO₂、ZnO、Bi₂O₃、C、WC、MgO、In₂O₃以及Ni、Fe、Mo、Zr、W或其氧化物。

添加一定量的耐高温成分量使得磁体的百分比至少为8％，并且导电金属的量至少为20％。

有利的是，磁体或者规则地，或者按照浓度梯度，或者另外以局部化块的方式分散在母料中。

因此，该材料也可以包含掺杂剂或少量的粘结剂，便于材料的应用，其可以是，例如，Ni、Co、Fe、Bi、Re、Zr及其氧化物。

上面所述的材料用于制造电触头的衬垫。用于制作该材料和用于成形触头衬垫的方法的第一步是通用的并且对于本领域的技术人员是已知的，本领域的技术人员可以在若干技术中选择。而且，该方法包括附加的步骤，用于磁化已经加工成衬垫的材料。

具体来说，并且对于本领域的技术人员来说进一步的详细描述是不必要的，本领域的技术人员可以用几个通用的测试，应用下文的技术，根据本发明所用的材料的制作用下述方法实现：

-粉末冶金，

-从溶液中沉淀盐的化学过程

-原子化法

-薄层或厚层沉积，或

-从坯料或粉末混合物挤压成形。

有利的是，用于制作该材料的步骤可以通过粉末冶金法实现，磁体之一是纳米结构的RE-Fe-B，其中RE是稀土元素。

磁体的优选方向可以通过在加工衬垫时应用合适的方法(压力、磁场、热处理)得到。这个操作不是绝对必要的，但是它能够在加工衬垫之后增加由施加的磁场感应的衬垫的磁化。

应当指出，以非限制性的方式，使用利用快速固化技术，特别是利用通常所说的熔态旋凝或熔纺技术获得的纳米结构的RE-Fe-B带作为形成触头的磁体的原始材料，具有极好的结果。对于本领域的技术人员而言，进一步描述这种已知的技术是不必要的。简言之，应当记住，这个技术包括通过喷嘴浇注容纳在容器中的熔融的金属，并且使液态金属的滴流与高速旋转的例如铜的圆柱体接触。利用这种技术，通过采用微结构，RE-Fe-B冷却，这使得它呈现非常显著的硬磁特性用于目标应用。

RE-Fe-B可以与其他的磁性材料关联，用于优化组合件的磁性质，RE-Fe-B有利地具有至少50％的磁体重量。

然后通过切断条、冲压金属丝、单元压缩使触头衬垫成形。然后通过电触头的任何传统的组装方法，具体说：电阻焊、电阻钎焊、感应钎焊、火焰或烘箱钎焊、卷边、镶嵌……，将它们设置在合适的支持物上，用于它们用作电触头。

替代地，根据本发明所用的材料可以成形为垫片或层，通过镶嵌、焊接、钎焊或铆接，或者甚至通过沉积层与传统的电触头衬垫做成整体而形成磁系统。在后一种情况下，磁材料、触头材料或者两者可以作为一层或若干层出现。该磁系统也可以用作机械支撑并且用于输送电流给电触头。有利的是，由于磁系统与现有技术的电磁部件不同，仅仅占据触头的很小额外空间，因此可能通过保留初始的触头材料，在现有安装中调整根据另一替代方案的磁系统。

在成形的衬垫中，磁体未被磁化。衬垫于是必需经受磁化步骤，通过施加磁化的磁场，以便按照由所施加的磁场限定的平均取向赋予该未磁化的磁体整体的磁化。然后衬垫可以充分发挥其吹弧器或灭弧器的作用。这种操作可以在加工衬垫之后在工厂里进行。也可以在触头的最后安装之前或之后在用户处进行。这通过将衬垫暴露于磁场完成，该磁场具有在0.5和30T之间，优选在1和30T之间，并且更优选在1和10T之间的强度。因此，根据本发明，用作衬垫的材料包括初始未磁化的磁体，该磁体或者通过在用户处施加磁场是可磁化的，或者通过在工厂施加磁场已经被磁化。

通过对已经加工的衬垫施加具有合适方向和强度的磁场，产生衬垫的整体磁化，磁化的取向由施加的磁场限定。这个结果是在衬垫的周围环境产生磁场。这个磁场对切断电弧起作用并且促使将其吹灭。

可以平行于或优选垂直于衬垫的纵轴线显著地施加磁场，使得衬垫具有如图1a和1b分别所示的磁场线。磁化步骤的条件(磁场的持续时间和强度)适合于该磁性材料，以便在已经经受磁化步骤之后，该衬垫是磁感应场之源，在表面上测量的该磁感应场大于20mT，优选大于60mT，更优选大于100mT。

因此得到的衬垫然后应用在形成的电触头中，其中两个衬垫在它们之间限定第一轴线。触头可以只包括根据上述方法得到的单个衬垫，该单个衬垫在直流电路的情况下设置在正极或负极。形成触头的两个衬垫用根据本发明使用的磁性材料制造也是可能的。磁场的各种取向是可能的并且是可以想到的，例如，当使用单个磁化的衬垫时，该衬垫产生的磁场可以平行于或垂直于第一轴线定向。

可替代地，衬垫可以包括沉积在磁性材料上的覆盖层。这种覆盖层包括选自银和铜的导电材料和可选地包括耐高温的化合物，耐高温的化合物选自CdO、SnO₂、ZnO、Bi₂O₃、C、WC、MgO、In₂O₃化合物以及Ni、Fe、Mo、Zr、W或其氧化物。

由于这种覆盖层，有利的是能够使磁体与触头表面的衬垫隔离并且因而当闭合时减少熔合的风险。实际上，喷吹效果可以通过电离磁性化合物的构成元素削弱。后者能够增加接触阻抗并且促进熔合。无论如何，触头的最外表面在电弧的作用下被强烈加热，使得表面体的磁性性质在工作期间通常被破坏。覆盖层应当足够薄以便由在电弧区域中的下面的磁体产生的磁场足够地保持强度，并且可能足够厚以便在电弧的作用下不被完全熔化。但是，已经发现根据本发明获得的电弧的持续时间减少导致很少的烧蚀。因此，覆盖层可以具有在0.05mm和3mm之间的厚度，优选地，在0.1mm和2mm之间的厚度，更优选在0.2mm和1mm之间的厚度。

下面的例子说明本发明但是不限制本发明的范围。

例子1

材料的加工通过粉末冶金术完成。因此，用通常所说的“熔态旋凝”的技术生产的Nd-Fe-B带在氩气下通过球磨减小成的粉末，直到得到在1和50μm之间的颗粒尺寸。这个操作的持续时间是大约5小时。

因此获得的粉末与粉末银混合，其颗粒具有的平均直径在15和50μm之间。这种混合以80％的银和20％的磁体EM粉末的质量比完成。获得电触头衬垫的磁性材料构成。

然后通过在700MPa的压力下的单元压缩和压紧，电触头衬垫被加工成形。

下一步，衬垫在真空中在400℃烧结大约30分钟。

然后根据前面提到的技术之一将衬垫组装在支持物上，以便在电触头中使用。

最后，通过将衬垫暴露在8T的磁场中该衬垫被磁化。如图1a所示，衬垫垂直于磁场取向，使得它具有垂直于其纵轴线的磁化。由于上面的磁化条件，衬垫是剩余磁感应磁场之源，在表面具有约60mT的强度。

然后上面得到的衬垫用于工作在42V直流电压下的电阻型电路的触头中，电流强度为37.5A。作为一个例子，只有一个磁化的衬垫设置在负极，另一个衬垫是银。

借助这种结构(垂直磁化、在负极的单个磁化的衬垫)，测量电弧断开持续时间。为了模拟熔合的风险，还在与断开相同的条件下进行闭合试验，但是电流为90A。测量得到的熔合的百分比，拉断力大于0.1N。

得到的结果纪录在下面的表1中。

例子2

通过用6％重量的耐高温化合物(SnO₂)替换母料的6％重量的银复制例子1。

进行和例子1相同的测试，得到的结果纪录在下面的表1中。

例子3

厚度为0.6mm的覆盖层设置在在例子1中得到的衬垫的磁性材料上，所述覆盖层为100％的银。

进行和例子1相同的测试，得到的结果纪录在下面的表1中。

例子4-6

作为比较，在衬垫不进行磁化(例子4)或利用其他材料制造触头的衬垫(例子5和6)时复制例子1。

进行与例子1相同的测试。这些材料的成分以及用加工的衬垫得到的结果纪录在下面的表1中。

表1

表1中得到的结果表明根据本发明应用上面所述的磁性材料用于制造电触头能够将断开电弧的持续时间从9ms，或者甚至24ms减少到3ms。例子4也表明衬垫的磁化步骤的重要性，因为包括未磁化衬垫的触头具有的断开电弧持续时间为9ms，而包括磁化衬垫的触头具有的断开电弧持续时间为3ms。

而且，添加耐高温化合物(例子2)或利用覆盖层(例子3)能够大大减少由上面定义的磁性材料构成的衬垫的熔合趋势而对断开电弧持续时间没有明显的影响。通过利用覆盖层，可能得到特别令人感兴趣的结果。

Claims

1.一种材料的应用，该材料包括导电金属的母料和具有所述材料8％和80％之间的重量并且包括硬磁相的磁体，所述磁体是未磁化的并且是通过平均取向可磁化的，所述平均取向由施加在所述材料上的磁场的方向限定，以便吹灭电触头的两个衬垫之间的电弧，其中至少一个所述衬垫包括所述材料。

2.一种材料的应用，该材料包括导电金属的母料和具有所述材料8％和80％之间的重量并且包括硬磁相的磁体，所述磁体起初未磁化，其被磁化为具有平均取向，所述平均取向由施加在所述材料上的磁场的方向限定，以便吹灭电触头的两个衬垫之间的电弧，其中至少一个所述衬垫包括所述材料。

3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于所述磁体具有10％和50％之间的所述材料的重量，优选在12％和30％之间的所述材料的重量，并且更优选在18％和22％之间的所述材料的重量。

4.根据任何前述权利要求所述的应用，其特征在于所述材料还包括在900℃以上的温度稳定的耐高温成分。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于所述耐高温成分包括选自下面组中的一种或更多种元素：CdO、SnO₂、ZnO、Bi₂O₃、C、WC、MgO、In₂O₃以及Ni、Fe、Mo、Zr、W或其氧化物。

6.根据权利要求1-5中的任何一项所述的应用，其特征在于所述磁体的至少一个相是以稀土族为基的硬磁性化合物。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于所述磁体是纳米结构的RE-Fe-B合金，其中RE是稀土元素。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于所述RE是钕或镨。

9.根据权利要求1-8中的任何一项所述的应用，其特征在于所述材料能够产生磁感应磁场，在其表面测量该磁感应磁场大于20mT，优选大于60mT，并且更优选大于100mT。

10.根据任何前述权利要求所述的应用，其特征在于所述衬垫在其之间限定一个轴线，所述衬垫中至少之一用所述材料制造并且具有产生与所述轴线垂直的磁场的磁化。

11.根据任何前述权利要求所述的应用，其特征在于包括所述磁体的所述衬垫中至少之一具有覆盖层，该覆盖层包括选自银和铜的材料。

12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于所述覆盖层还包括耐高温化合物，所述耐高温化合物选自：CdO、SnO₂、ZnO、Bi₂O₃、C、WC、MgO、In₂O₃以及Ni、Fe、Mo、Zr、W或其氧化物。

13.根据权利要求11或12所述的应用，其特征在于所述覆盖层具有在0.05mm和3mm之间的厚度，优选地，在0.1mm和2mm之间的厚度，更优选在0.2mm和1mm之间的厚度。

14.一种电触头衬垫的材料，包括导电金属的母料和具有8％和80％之间的所述材料的重量并且包括硬磁相的磁体，所述磁体是未被磁化的并且是通过平均取向可磁化的，所述平均取向由施加在所述材料上的磁场的方向限定，其中至少一个所述磁相是以除钐之外的稀土为基的化合物。

15.一种电触头衬垫的材料，包括导电金属的母料和具有8％和80％之间的材料重量并且包括硬磁相的磁体，所述磁体起初未磁化，其被磁化为具有由施加在所述材料上的磁场的方向限定的平均取向，其中至少一个所述磁相是以除钐之外的稀土族为基的化合物。

16.一种用于制造电触头衬垫的方法，包括如下步骤：

-用银或铜制作材料，以便形成所述材料的母料和形成包括硬磁体相的磁体，所述磁体是未磁化的，其中至少一个所述磁相是以稀土族为基的化合物，

-使所述衬垫成形，

-将所述衬垫组合在支持物上，以及

-磁化该衬垫。

17.根据权利要求16所述的方法，其中制作所述材料的步骤通过粉末冶金术实现，所述磁体之一是纳米结构的RE-Fe-B，其中RE是稀土元素。

18.根据权利要求16和17中任何一项所述的方法，其特征在于所述磁化步骤执行的方式使得所述衬垫产生磁感应磁场，在其表面测量该磁感应磁场大于20mT，优选大于60mT，并且更优选大于100mT。

19.电触头的一对衬垫，所述衬垫在其之间限定轴线，其特征在于所述衬垫的至少一个用根据权利要求14和15中任何一项的材料制造，并且具有产生垂直于所述轴线的磁场的磁化。

20.电触头的一对衬垫，在负极包括用权利要求14和15中任何一项的材料制造的触头衬垫。

21.用根据权利要求14和15中任何一项的材料制造的电触头衬垫，具有覆盖层，所述覆盖层包括选自银和铜的材料和可选的耐高温化合物，所述耐高温化合物选自：CdO、SnO₂、ZnO、Bi₂O₃、C、WC、MgO、In₂O₃以及Ni、Fe、Mo、Zr、W或其氧化物。