CN117999624A - 用于真空开关的接触盘、真空开关以及用于接触盘的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于真空开关(100)的接触元件的接触盘(30、40)，所述接触盘主要由第一导电材料或复合材料构成并且具有多个在周界范围内分布的第二材料的嵌入部(31、41)，所述第二材料相对于所述第一材料或复合材料具有更低的导电性，所述嵌入部在所述真空开关(100)的开关过程中引起磁场的形成并且由此引起所产生的电弧在预设的轨迹上的运动和/或所述电弧的大面积的扩散。此外，本发明涉及一种用于这样的接触盘的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种新颖的用于真空开关的接触盘、一种具有这样的接触盘的真空开关以及一种用于接触盘的制造方法。
背景技术
在用于低压、中压和高压范围的真空开关或者说真空开关管中，尤其是为了断开大于几千安培的电流而使用所谓的径向或轴向磁场触头(RMF触头或者说AMF触头)。这样的具有传统的结构方式的接触元件的构造、功能和作用原理例如在2003年出版的K.Jenkes-Botterweck的论文“Modellierung des Plasmas im Vakuum-Leistungsschalter unterBerücksichtigung axialer Magnetfelder(在考虑到轴向磁场的情况下对真空功率开关中的等离子体进行建模)”中广泛地得到描述，该论文在http://publications.rwth-aachen.de/record/58842下面可在线获得。
广泛使用的结构形式是螺旋式触头和罐式触头。对于例如在DE102019216869A1和DE102017214805A1中公开的螺旋式触头来说，所需要的磁场通过接触盘本身的几何造型来产生，对于其他触头形式来说、尤其对于同样例如由DE102017214805A1已知的罐式触头来说，磁场通过附加的线圈体来成形，接触盘被安放在所述线圈体上。
由DE 33 02 595 Al已知触头的一种变型方案，对于所述触头来说磁场通过线圈体来成形。以螺旋线形状来缠绕的或者说设有螺旋线形的凹部的、由导电性较低的第一材料构成的本体在此用导电性较高的并且熔化及浇注温度较低的第二材料来浇注，其中尤其所述螺旋线匝之间的空间或者说凹部被浇注。由第一材料制成的本体在此代表着用于第二材料的铸模的一部分。然后，在产生接触的端侧上，将由特殊的电弧材料构成的无结构的接触盘焊接到所述通过这种方式来制造的接触基座上。
图1以示意图示出了传统的AMF接触盘10。所述接触盘10具有多个在周界范围内分布的、倾斜放置的狭槽11，这些狭槽如此成形，使得它们(与相应的配对触头的几何形状一起)在电流流动时引起磁场的构成，所述磁场则引起所产生的电弧在预设的轨迹上的运动和/或所述电弧的大面积的扩散。
图2示出了传统的螺旋式接触盘20，其具有多个在周界范围内分布的螺旋形的狭槽21，所述螺旋形的狭槽同样如此被掏制到接触盘20中，使得所述螺旋形的狭槽(与相应的配对触头的几何形状一起)在电流流动时引起磁场的构成，所述磁场引起所产生的电弧在预设的轨迹上的运动和/或所述电弧的大面积的扩散。
在图1和2中未示出相应的接触基座或者说线圈体。
按照现有技术的接触盘的不利之处是，所述接触盘的开槽对其机械稳定性造成显著的损害。此外，用于掏制狭槽的切削加工方法留下尖锐的边缘和毛刺，必须在附加的工作步骤中对所述尖锐的边缘和毛刺进行修圆或者说去除，以防止在操作接触盘以及成品的接触元件时出现伤害。尖锐的边缘和毛刺还可能会导致电场强度局部过高并且因此对真空开关管的介电强度产生不利影响。此外，毛刺可能会在电场的影响下并且/或者由于开关过程中的机械振动而脱落并且在真空开关管中引发电击穿。
此外，接触盘的表面上的电弧事件引起尤其沿着狭槽边缘的部分的熔化，其结果是所述狭槽随着开关过程的次数而可能变得更窄并且最后完全短路。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种用于真空开关的接触盘以及一种用于这样的接触盘的制造方法，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盘来解决，该接触盘主要由第一导电材料或复合材料构成并且具有多个在周界范围内分布的由第二材料构成的嵌入部(Einlassung)，所述第二材料与第一材料或复合材料相比具有更低的导电性，所述嵌入部在真空开关的开关过程中引起磁场的成形并且由此引起所产生的电弧在预设的轨迹上的运动和/或所述电弧的大面积的扩散。
换句话说，根据本发明，在由现有技术已知的狭槽形的开口中嵌入一种材料，该材料相对于接触盘的材料具有更低的导电性，其中所述嵌入部的形状不限于狭槽，而是允许明显更大的形状多样性，由此又能够实现磁场形成的优化，所述优化用传统的切割的或者说切削的方法不能实现或只能以非常高的耗费来实现。
此外，本发明避免或减少了在现有技术中出现的效应，即：所述狭槽随着开关过程的次数而可能变得更窄并且最终完全短路，因为所述狭槽已经被材料填充并且由此至少使材料的积聚变得困难。
“嵌入部”在此优选是指，所述第二材料朝第一材料中的引入已经在所述接触盘基本形状的成形期间进行并且不是事后地、即例如不是通过以下方式来进行，即：将狭槽掏制到接触盘中，随后用所述第二材料回填所述狭槽。
在本发明的优选的设计方案中，所述第一导电材料、即所述接触盘基体的材料是铜或者基于铜的复合材料、尤其是CuCr25或者CuCr30或者CuCr35。
对于被嵌入到狭槽中的材料来说，优选使用不锈钢或具有明显比铜低的导电性的其他金属。此时，所述第二材料的导电性优选低于所述第一材料的导电性的十分之一。在作为替代方案的设计方案中，陶瓷、陶瓷金属复合材料(金属陶瓷)或塑料被用作第二材料。
按本发明的接触盘例如能够通过增材制造方法(3D打印)来制造、尤其是通过2组分3D打印方法来制造。3D打印的优点在于，所述接触盘包括嵌入部在内能够在一个工序中制造并且也能够实现复杂的狭槽形状，所述复杂的狭槽形状用传统的切削加工方法不能实现或只能以大的耗费来实现。
本发明还涉及一种具有真空室的真空开关，在所述真空室的内部布置了两个接触元件，其中所述接触元件中的至少一个接触元件具有按本发明的接触盘。
本发明还涉及一种作为3D打印的替代方案的用于制造按本发明的接触盘的方法，所述接触盘主要由第一材料或复合材料构成。在此，将由具有比第一材料或复合材料低的导电性的第二材料构成的一个或多个成形件放入到粉末床或冲压模具中。接着，如果需要，将确定接触盘的形状的成形件放入到所述冲压模具中。将第一材料的粉末或者说粉末混合物或也将由粉末预压制的生坯件放入到所述冲压模具中。随后如此施加冲压压力，从而从所述粉末或者说粉末混合物中产生所述具有被埋入的或者说被嵌入的成形件的接触盘。作为替代方案，由所述第一材料构成的成形件也能够形成起始点，并且放入由所述第二材料构成的粉末或预压制的生坯体。
在此，能够在冲压过程的期间额外地向所述粉末或者说粉末混合物加载电流。
在此，优选如此选择所述电压馈入点以及相应所馈入的电功率，使得流经所述粉末的电流差不多均匀地分布。
优选作为(第一)粉末使用铜粉末或由铜颗粒和另一种导电材料、像例如铬构成的混合物。作为第二材料优选选择不锈钢。
所述成形件优选如此构成，使得它们在对粉末进行压制和烧结之后在所述接触盘中形成周界范围内分布的嵌入部，所述嵌入部在真空开关的开关过程中引起磁场的成形并且由此引起所产生的电弧在预设的轨迹上的运动和/或所述电弧的大面积的扩散。
附图说明
下面借助于附图对本发明的实施例进行详细解释。应当指出的是，所有以上和以下所公开的变型方案、设计方案和实施例都能够不受限制地相互组合。
图3示意性地以透视图示出了按照本发明的第一种实施例的AMF接触盘；
图4示意性地以透视图示出了按照本发明的第二种实施例的螺旋式接触盘；并且
图5示意性地以局部剖面图示出了按照本发明的一种实施例的真空开关。
具体实施方式
图3示出了用于真空开关100的AMF接触元件的AMF接触盘30，它由第一导电材料或复合材料构成。所述第一导电材料在此优选是铜。在本发明的更清楚的图示的意义上放弃了接触基座的图示。
然而应当指出的是，所述接触盘30或者说接触盘区域能够被安置在接触基座的表面上，或者在本发明的改进方案中能够与接触基座一体地构成，并且更确切地说能够被构造在接触元件的后来应该形成真空开关的可分离的电连接部的表面上。
所述接触盘30具有多个在周界范围内分布的、倾斜放置的在图3的示例中基本上狭槽状的嵌入部31，相对于第一材料具有较低的导电性的第二材料被嵌入到所述嵌入部中并且更确切地说如此被嵌入到所述嵌入部中，使得所述嵌入部(与相应的配对触头的嵌入部或狭槽的几何形状一起)在电流流动时引起磁场的成形并且由此引起所产生的电弧在预设的轨迹上的运动和/或所述电弧的大面积的扩散。
图4示出了用于真空开关1 00的接触元件的螺旋式接触盘40，其同样由第一导电材料或复合材料构成。在此，所述第一导电材料又优选是铜。在图4中也在本发明的更清楚的图示的意义上放弃了接触基座的图示。对螺旋式接触盘40来说，也适用的是，接触盘40或者说接触盘区域被安置在接触基座的表面上，或在本发明的改进方案中能够与接触基座一体地构成，并且更确切地说能够被构造在接触元件的后来应该形成真空开关的可分离的电连接部的表面上。
所述接触盘40具有多个在周界范围内分布的嵌入部41，所述嵌入部螺旋形地伸展并且因此相对于如在图3中所示的直的狭槽提高了所述嵌入部的长度。相对于第一材料具有较低的导电性的第二材料被嵌入到这些嵌入部中并且更确切地说又如此被嵌入到这些嵌入部中，使得所述嵌入部(与相应的配对触头的嵌入部或狭槽的几何形状一起)在电流流动时引起磁场的成形并且由此引起所产生的电弧在预设的轨迹上的运动和/或所述电弧的大面积的扩散。
图5示出了具有两个带有接触基座32、42的触头的真空开关管100，按照本发明的接触盘30、40被施加到所述接触基座上。在此，纯示例性地详细地示出了两个具有按照图3的接触盘30的AMF触头。在其它实施例中，使用在与本发明相一致的情况下设计的其它接触盘形状。
所述真空开关100具有固定的连接盘或者说固定的连接螺栓110，其由导电材料、优选由铜制成。该连接螺栓与固定的触头的线圈体32、42连接。可运动的触头与固定的触头平面平行地定向并且由可运动的连接螺栓170来承载。通过所述可运动的连接螺栓1 70朝固定的连接螺栓110的轴向运动来将所述真空开关闭合，通过沿着相反方向的运动来将所述真空开关断开。在此，所述可运动的连接螺栓在导引部160中得到导引。
在此，所述两个触头布置在真空室1 30中，该真空室衬有屏蔽件140并且由用绝缘材料制成的主体120构成。金属波纹管1 50用于在将可运动的连接螺栓穿入到真空室中的区域中相对于周围环境对真空室130进行密封。
下面，对一种用于制造接触盘30、40的优选的制造方法进行说明。
将优选由不锈钢构成的、后来形成接触盘40中的嵌入部的一个或多个成形件放入到模具中。在此，所述成形件的位置通过合适的手段来确定。例如能够使用成形件，其中多个嵌入部通过窄的、对后来的功能没有影响的接片来相互连接并且就这样形成成形件复合结构，该成形件复合结构相对于随后的粉末填入保持其形状。
作为替代方案，能够将多个成形件放入到所述模具的相应的接纳部中，所述成形件在很大程度上相应于其最终形状、但是稍微伸出超过接触元件的后来的周界。所述成形件的伸出超过周界的材料而后能够在对于接触元件的最终的表面加工的过程中一起被去除。
将铜粉或由铜和铬构成的粉末混合物填入到模具间隙中并且包围成形件，并且通过冲压冲头向其加载单轴作用的压力。优选同时通过冲压冲头和模具使电流以串联的方式流过待烧结的样品。所述样品或者模具的就这样产生的焦耳发热引起对于所述样品的非常快速的加热并且就这样能够实现所述材料的有效烧结。
如已经提到的一样，由所述第一材料构成的成形件也能够形成起始点，并且放入由所述第二材料构成的粉末或预压制的生坯体。
所述模具能够具有附加的、对接触盘的形状产生影响的成形体。
在本发明的实施例中，所述完整的接触元件包括接触盘和接触基座在内能够借助于烧结方法来制造。
在SPS方法结束时，有接触盘可供使用，该接触盘的表面根据待达到的品质还必须例如通过抛光来进行加工，以便例如获得尽可能平坦的、无沟槽的接触面。但是相对于已知的方法取消对于所述接触盘的开槽以及所述狭槽的去毛刺。此外，相对于开槽方法，能够几乎任意地构造所述成形件并且由此优化磁场。
有利的是，所烧结的接触盘或者说所烧结的接触元件非常接近最终轮廓，也就是说在最终加工时仅仅产生少量的废料。
如已经简述的那样，在本发明的有利的改进方案中，能够由复合材料来制造所述接触盘，方式是：代替纯铜粉末而添加合适的、在烧结状态下超过铜的强度和/或相对于烧损的稳定性的由铜和其它材料构成的粉末混合物。这也能够局部受限地进行，也就是说例如在线圈体的经受特殊的机械负荷和/或电负荷的区域、像例如接触盘的表面中进行。
应当指出，这里仅仅描述了所选出的本发明所利用的实施例。尤其例如可能的是，接触盘和触头的其他形状借助于在这里所描述的原理来设计和制造。同样，虽然优选使用被称为优选的材料，但是本发明不限于这些材料。此外，如已经提到的那样，例如可能的是，代替烧结方法而选择增材制造方法(3D打印)，大多数结合所述烧结方法所公开的考虑和优点同样适用于所述增材制造方法。
Claims (13)
1.一种用于真空开关(100)的接触元件的接触盘(30、40)，主要由第一导电材料或复合材料构成，
其特征在于，
所述接触盘具有多个在周界范围内分布的由第二材料构成的嵌入部(31、41)，所述第二材料相对于第一材料或复合材料具有更低的导电性，所述嵌入部在所述真空开关(100)的开关过程中引起磁场的形成并且由此引起所产生的电弧在预设的轨迹上的运动和/或所述电弧的大面积的扩散。
2.根据权利要求1所述的接触盘(30、40)，其中所述第一导电材料是铜或者其中所述复合材料具有铜和铬。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的接触盘(30、40)，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)，在所述真空室的内部布置了两个接触元件，其中所述接触元件中的至少一个接触元件具有根据前述权利要求中的任一项所述的接触盘(30、40)。
5.一种用于制造针对真空开关(100)的接触元件的接触盘(30、40)的方法，所述接触盘主要由第一导电材料或复合材料构成，所述方法具有以下步骤：
-将由相对于第一材料或复合材料具有更低的导电性的第二材料构成的一个或多个成形件放入到粉末床或冲压模具中；
-将第一材料的粉末或具有所述第一材料的粉末混合物或一个或多个具有第一材料的预压制的生坯体放入到所述粉末床或所述冲压模具中；并且
-施加冲压压力，使得将所述粉末或者说粉末混合物或者说所述生坯体与成形件一起烧结成所述接触盘(30、40)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述粉末是铜粉末或由铜颗粒与另一种导电材料、尤其是铬构成的混合物，或者说所述生坯体由铜构成或由铜颗粒与另一种导电材料、尤其是铬构成的混合物构成。
7.根据权利要求5或6中的任一项所述的方法，其中所述第二材料是不锈钢。
8.一种用于制造针对真空开关(100)的接触元件的接触盘(30、40)方法，所述接触盘主要由第一导电材料或复合材料构成，所述方法具有以下步骤：
-将由较低导电性的第一材料或复合材料构成的一个或多个成形件放入到粉末床或冲压模具中；
-将具有相对于所述第一材料或复合材料更低的导电性的第二材料的粉末或粉末混合物或一个或多个具有这样的第二材料的预压制的生坯体放入到所述粉末床或冲压模具中；并且
-施加冲压压力，使得将所述成形件和粉末或者说粉末混合物或者说生坯体烧结成所述接触盘(30、40)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述成形件由铜制成或由铜和另一种导电材料、尤其是铬构成的复合材料制成。
10.根据权利要求8或9中的任一项所述的方法，其中所述第二材料是不锈钢。
11.根据权利要求5至10中的任一项所述的方法，其中在冲压过程的期间额外地向所述粉末加载电流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，选择电压馈入点以及相应所馈入的电功率，使得流经所述粉末或者说粉末混合物或者说生坯体的电流差不多均匀地分布。
13.根据权利要求5至12中的任一项所述的方法，其中，构成所述成形件，使得在对粉末进行压制和烧结之后在所述接触盘(30、40)中形成在周界范围内分布的所述第二材料的嵌入部(31、41)，所述嵌入部在所述真空开关的开关过程中引起磁场的形成并且由此引起产生的电弧在预设的轨迹上的运动和/或所述电弧的大面积的扩散。
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