CN117981031A - 用于真空开关的接触载体、真空开关及接触载体的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于真空开关(100)的接触元件的接触载体(31、41)，所述接触载体主要由第一导电材料或复合材料组成，并且具有第二材料的多个切口(33、43)，所述多个切口分布在圆周上，所述多个切口在所述真空开关(100)的切换过程时引起磁场的形成以及由此引起所形成的电弧在预先给定的轨道上移动，其中所述第二材料具有比第一材料或复合材料更低的电导率并且在构造接触载体基本形状期间已经引入到所述第一材料中。本发明还涉及这种接触载体的制造方法。

Description

用于真空开关的接触载体、真空开关及接触载体的制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于真空开关的新型接触载体、具有这种接触载体的真空开关以及接触载体的制造方法。

背景技术

在用于低压范围、中压范围和高压范围的真空开关管或真空开关中尤其是为了关断大于几千安的电流而使用所谓的径向或轴向磁场接触件(RMF或AMF接触件)。具有传统构造方式的这样的接触元件的结构、功能和作用原理例如在http://publications.rwth-aachen.de/record/58842下在线可用的K.Jenkes-Botterweck的在2003年发表的论文"Modellierung des Plasmas im Vakuum-Leistungsschalter unter Berücksichtigungaxialer Magnetfelder"中全面地得以描述。

广泛流行的结构形状是螺旋形和罐形接触件。在例如在DE102019216869A1中和在DE102017214805A1中公开的螺旋形接触件的情况下，所需要的磁场由接触盘本身的几何造型产生；在其他接触件形状的情况下，尤其是在同样例如从DE102017214805A1已知的罐形接触件的情况下，磁场由附加线圈体形成，接触盘放置在所述线圈体上。

图1以示意图示出传统的AMF接触件10。接触载体或线圈体11承载接触盘12。接触载体和接触盘具有分布在圆周上的多个倾斜的槽13，所述槽13被引入到接触元件中，使得这些槽(与对应的配对接触件的几何形状一起)引起轴向磁场的形成并且因此引起所形成的电弧在接触盘上的大面积分布。

图2以示意图示出传统的RMF接触件20。接触载体或线圈体21承载环形接触盘22。接触载体21具有分布在圆周上的多个倾斜的槽23，所述槽23被引入到接触体中，使得这些槽(与对应的配对接触件的几何形状一起)将接触件的热载荷通过围绕该装置的纵轴旋转在切换过程时所形成的电弧而分布在接触盘上。

在此，线圈体优选地由铜棒材料或由预成形的铜压块制成。通过已经提及的槽实现电流流动控制以及因此通过通常实施为空心圆柱体的线圈体进行的磁场产生。

对此不利的是，接触载体或线圈体的开槽明显影响其机械稳定性，并且在许多情况下使得需要支撑体。此外，为了引入槽而应用的加工工作方法留下锋利的边缘和毛刺，所述边缘和毛刺必须在附加的工作步骤中被修圆或移除，以便在处理线圈体以及制成的接触元件时防止伤害。锋利的边缘和毛刺此外可能导致电场强度的局部过高，从而消极地影响真空开关管的介电强度。此外，毛刺可能在电场的影响下和/或由于在开关过程时的机械冲击而脱落，并且在真空开关管中引入电击穿。

从DE 3302595 A1已知一种接触载体，其中用较高电导率和较低熔化和浇铸温度的第二材料浇注由较低电导率的第一材料制成的以螺旋线形状缠绕的或配备有螺旋线形凹槽的主体，其中尤其是灌注了螺距之间的空间或灌注了凹槽。由第一材料制成的主体在此是第二材料的铸模的一部分。对此不利的是，第一材料的熔点必须明显高于第二材料的熔点，并且由于多个按顺序的工作步骤，这样的接触载体的生产需要花很多时间。

发明内容

因此，本发明的任务是说明一种用于真空开关的接触载体以及这种接触载体的制造方法，由此避免所描述的缺点。

根据本发明，该任务通过一种用于真空开关的接触元件的接触载体来解决，所述接触载体主要由第一导电材料或复合材料组成并且具有第二材料的多个切口，所述第二材料具有与第一材料或复合材料相比更低的电导率，所述多个切口分布在圆周上，并且所述多个切口在真空开关的切换过程时引起磁场的形成以及由此引起所形成的电弧在预先给定的轨道上移动。

换句话说，根据本发明，将与接触载体的材料相比具有更低电导率的材料切入到从现有技术已知的槽形开口中，其中切口的形状不限于槽，而是允许明显更大的形状多样性，由此又使得能够优化磁场的形成，所述优化利用经典切割或加工方法不能实现或仅能以非常高的耗费实现。

“切入”在此指的是在构造接触载体基本形状期间就已经将第二材料引入到第一材料中，而不是事后、也即例如不是通过将槽引入到接触载体中并且随后用第二材料填充所述槽来将第二材料引入到第一材料中。

在本发明的优选设计方案中，第一导电材料、即接触载体基体的材料是铜。

对于切入槽中的材料优选地使用不锈钢或具有与铜相比明显更低的电导率的其他金属。在替代设计方案中，将陶瓷或陶瓷-金属复合材料(金属陶瓷)用作第二材料。

根据本发明的接触载体可以例如通过增材制造方法(3D打印)制造，尤其是通过2组分3D打印方法制造。3D打印的优点在于，包括切口在内的接触载体可以在一个工作流程中制成，并且还可以实现复杂的槽形状，所述复杂的槽形状利用传统的加工工作方法不能实现或者仅能以大的耗费实现。

本发明此外涉及一种具有真空室的真空开关，在所述真空室中布置有两个接触元件，其中接触元件中的至少一个具有根据本发明的接触载体。

本发明此外涉及一种替代3D打印的用于制造根据本发明的接触载体的方法，所述接触载体主要由第一材料或复合材料组成。在此，将由具有与第一材料或复合材料相比更低的电导率的第二材料制成的一个或多个模制件引入粉末床或压制模具中。随后将主要确定接触载体的形状的模制件引入到压制模具中，并且将粉末或由粉末预压制的第一材料的坯件引入到剩余的自由空间中。随后施加压制压力，使得由粉末形成具有嵌入的或切入的模制件的接触载体。

在此，在压制过程期间可以附加地向粉末加载电流。

在此优选地选择电压馈入点和分别馈入的电功率，使得流过粉末的电流近似均匀分布。

优选地使用铜粉作为粉末。优选地选择不锈钢作为第二材料。

所述一个或多个模制件被构成为使得在压制和烧结所述粉末之后，所述模制件在接触载体中构成分布在圆周上的切口，所述切口在所述真空开关的切换过程时引起磁场的形成以及因此引起所形成的电弧在预先给定的轨道上移动。

附图说明

下面，根据附图更详细地阐述本发明的实施例。应当指明的是，上面和下面公开的所有变型方案、设计方案和实施例可以不受限制地彼此组合。

图3示意性地以透视图示出根据本发明的一种实施例的AMF接触件的接触载体。

图4示意性地以透视图示出根据本发明的一种实施例的RMF接触件的接触载体；以及

图5示意性地以局部剖视图示出根据本发明的一种实施例的真空开关。

具体实施方式

图3示出用于真空开关100的AMF接触元件的线圈体或接触载体31，所述线圈体或接触载体由第一导电材料或复合材料组成。在此，第一导电材料优选地为铜。在更清楚地表示本发明的意义上，放弃了接触盘的图示。

然而，应该指明的是，接触盘或接触盘区域可以安置在接触载体31的表面处，或者在本发明的改进方案中可以与接触载体一体地构造，而且是构造在接触元件的表面处，所述表面稍后应该构成真空开关的可分离的电连接。

线圈体31具有多个分布在圆周上的倾斜的、在图3的示例中基本上槽形的切口(Einlassung)33，具有与第一材料相比更低的电导率的第二材料切入所述切口中，而且使得切口(与实际的在图3中未示出的接触盘以及对应的配对接触件的切口或槽的几何形状一起)引起轴向磁场的形成并且由此引起所形成的电弧在接触盘上的大面积分布。

图4示出用于真空开关100的RMF接触元件的线圈体或接触载体41，线圈体或接触载体由第一导电材料或复合材料组成。在此，第一导电材料再次优选地为铜。在更清楚地表示本发明的意义上，在图4中也放弃了接触盘的图示。

然而，应该指明的是，环形接触盘或环形接触盘区域可以安置在接触载体41的表面处，或者在本发明的改进方案中可以与接触载体一体地构造，而且构造在接触元件的表面处，所述表面稍后应该构成真空开关的可分离的电连接。

线圈体41具有多个分布在圆周上的倾斜的、在图4的示例中基本上槽形的切口43，具有与第一材料相比更低的电导率的第二材料切入到所述切口中，而且使得切口(与对应的配对接触件的切口或槽的几何形状一起)将接触件的热载荷通过围绕该装置的纵轴旋转电弧而分布在接触盘上。

图5示出根据本发明的具有两个带有接触载体31、41的接触件的真空开关管100。在此纯示例性地，详细地示出了具有根据图4的线圈体的RMF接触系统。在其他实施例中，使用根据图3的AMF接触件或与本发明一致地设计的其他接触形状。

真空开关100具有由导电材料制成、优选地由铜制成的固定的连接盘或固定的连接螺栓110。所述连接螺栓与固定的接触件的线圈体31、41连接。可移动的接触件与固定的接触件平面平行地取向，并且由可移动的连接螺栓170承载。通过使可移动的连接螺栓170在固定的连接螺栓110的方向上轴向移动来闭合真空开关，通过在相反方向上移动来断开真空开关。在此，在引导件160中引导可移动的连接螺栓。

在此，两个接触件布置在真空室130中，所述真空室130内衬有屏蔽140并且由用绝缘材料制成的主体120组成。金属波纹管150与引导件160一起用于在可移动的连接螺栓贯穿到真空室中的区域中将真空室130相对于环境密封。

下面描述用于制造接触载体或线圈体31、41的优选制造方法。

将一个或多个模制件插入到模具中，所述模制件优选地由不锈钢制成，所述模制件稍后在铜线圈体中构成切口。在此，模制件的位置由合适的装置设定。例如可以使用一个模制件，其中多个在图3和图4的示例中板状地示出的切口通过不影响稍后的功能的狭窄接片相互连接，并且从而构成环形模制件，所述环形模制件与随后的粉末填充相比保持其形状。

可替代地，可以在模具的对应接纳部中使用多个模制件，所述模制件在很大程度上对应于其最终形状，但是稍微突出超过接触元件的稍后的圆周。模制件的突出超过圆周的材料可以然后在接触元件的最终表面处理的过程中一起被移除。

将铜粉填入模具的间隙中和模制件周围，并且通过冲模向所述铜粉加载单轴向地起作用的压力。优选地，由电流同时经由冲模和模具以一种串联方式流过待烧结的样品。样品或模具的如此产生的焦耳热导致非常快速地加热样品，并且从而使得能够高效地烧结材料。

模具可以具有内部圆柱形主体，线圈体31、41至少部分地围绕实施内部圆柱形主体形成。

在本发明的实施例中，包括接触盘在内的完整接触元件可以借助于烧结方法来制造，其方式是将具有第一导电材料的颗粒和第二导电材料的颗粒的第一粉末状混合物或由至少第一和第二导电材料的复合物组成的第一预压制的盘形坯体引入压制模具中。将内部冲模引入到模具中，并且将模制件(如已经描述的)插入到模具和内部冲模之间的间隙中，并且引入第一导电材料的第二粉末或具有第一导电材料的颗粒的第二粉末状混合物或者具有第一导电材料的第二预压制坯体。将外部冲模引入到模具和内部冲模之间的间隙中。将压制压力施加到外部冲模和内部冲模上，而且使得由第一粉末状混合物或第一坯体形成构成接触元件的接触盘的盘形区域并且由第二粉末或第二粉末状混合物或第二坯体形成具有切口33、43的构成接触元件的接触体或接触载体31、41的区域。

在SPS方法结束时，接触载体或接触元件可供使用，所述接触载体或接触元件的表面仍然必须根据要实现的质量进行处理，例如通过抛光，例如以便实现尽可能平坦的、无沟槽的接触面。然而，与已知方法相比，取消对线圈体进行开槽或对槽进行去毛刺。此外，与开槽方法相比可能的是，几乎任意地设计模制件并且由此优化了磁场。

有利的是，经烧结的线圈体或经烧结的接触元件是非常接近最终轮廓的，即在最终处理时仅产生少量废料。

在本发明的有利的改进方案中可能的是，由复合材料制成线圈体，其方式是代替纯铜粉，添加由铜和其他材料制成的合适的粉末混合物，所述粉末混合物在烧结状态下超过铜的强度。这也可以局部受限制地进行，即例如在线圈体的暴露于特殊机械和/或电载荷的区域中，诸如在接触件和连接螺栓之间的接合位置。

应当指明的是，在这里仅描述了利用本发明的所选定的实施例。尤其是，例如可能的是借助于在这里描述的原理来设计和制造其他形状的线圈体和接触件。同样，虽然表示为优选的材料是优选的，但是本发明不限于这些材料。此外，如已经提及的，例如可能的是选择增材制造方法(3D打印)来代替烧结方法，大多数与烧结方法相结合地公开的考虑和优点同样地适用于所述增材制造方法。

Claims (10)

1.一种用于真空开关(100)的接触元件的接触载体(31、41)，所述接触载体主要由第一导电材料或复合材料组成，其中所述接触载体具有第二材料的多个切口(33、43)，所述多个切口分布在圆周上，所述多个切口在所述真空开关(100)的切换过程时引起磁场的形成以及由此引起所形成的电弧在预先给定的轨道上移动，其中所述第二材料具有比第一材料或复合材料更低的电导率并且在构造接触载体基本形状期间就已经引入到所述第一材料中。

2.根据权利要求1所述的接触载体(31、41)，其中所述第一导电材料是铜。

3.根据前述权利要求中任一项所述的接触载体(31、41)，其中所述第二材料是不锈钢。

4.一种具有真空室(130)的真空开关(100)，在所述真空室(130)内布置有两个接触元件，其中所述接触元件中的至少一个具有根据前述权利要求中任一项所述的接触载体(31、41)。

5.一种用于制造用于真空开关(100)的接触元件的接触载体(31、41)的方法，所述接触载体主要由第一导电材料组成，所述方法具有以下步骤：

-将由具有与第一材料或复合材料相比更低的电导率的第二材料制成的一个或多个模制件引入到粉末床或压制模具中；

-将一个或多个模制体以及所述第一材料的粉末引入到所述粉末床或所述压制模具中；以及

-施加压制压力，使得由所述粉末形成所述接触载体(31、41)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中在压制过程期间附加地向所述粉末加载电流。

7.根据权利要求6所述的方法，其中选择电压馈入点以及分别馈入的电功率，使得流过所述粉末的电流近似均匀分布。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中所述粉末是铜粉或由铜颗粒和其他导电材料组成的混合物。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中所述第二材料是不锈钢。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，其中所述一个或多个模制件被构成为使得在压制和烧结所述粉末之后，所述模制件在所述接触载体(31、41)中构成分布在圆周上的切口(33、43)，所述切口在所述真空开关的切换过程时引起磁场的形成以及由此引起所形成的电弧在预先给定的轨道上移动。