CN117999625A - 用于针对真空开关的接触元件的制造方法、接触元件以及真空开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造针对真空开关(100)的接触元件(10、20)的方法。在此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(32)或由至少第一导电材料和第二导电材料的复合体构成的预压制的、盘形的第一生坯体放入到冲压模具(210、240)中。将内部的冲压冲头(220)放入到所述模具(210)中，并且将所述第一导电材料的第二粉末(31、31A)或具有第一导电材料的颗粒的第二粉末状混合物或具有第一导电材料的预压制的第二生坯体放入到模具与内部的冲压冲头之间的间隙中。将外部的冲压冲头(230)放入到模具与内部的冲压冲头之间的间隙中。将冲压压力(A、B)施加到所述外部的和内部的冲压冲头上，并且使得从所述第一粉末状混合物(32)或所述第一生坯体中产生形成所述接触元件(10)的接触盘(12、22)的盘形区域并且从所述第二粉末(31、31A)或所述第二粉末状混合物或所述第二生坯体中产生形成所述接触元件的接触体(11、21)或者说接触基座的区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种新颖的用于针对真空开关的接触元件的制造方法、一种根据所述方法制造或可制造的接触元件以及一种具有这样的接触元件的真空开关。
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。
在此，所述线圈体优选由铜棒材料或由预成形的铜冲压件制成。通过经常作为空心圆筒来制成的线圈体来产生磁场，这通过相应的狭槽产生来实现。尤其对于AMF触头来说，所述接触盘也经常设有狭槽，以便实现涡流的减少。两个部件的狭槽必须在装配时相互对齐。
因此，传统的接触元件的接触盘和接触基座在不同的工作步骤中并且由不同的材料制成，以便实现相应所期望的特性。对于接触基座来说这尤其是高导电性，而对于接触盘来说重要的特性是针对在开关时由于电弧事件而产生的烧损的抵抗能力。
在接下来的制造步骤中，借助于材料锁合的过程、例如通过硬钎焊将接触盘和接触基座相互连接起来。这个制造步骤在实践中分成多个单个的步骤并且引起显著的耗费和显著的成本，因为接触盘与接触基座之间的连接的品质决定性地影响真空开关管的开关性能。此外，出于这个原因而需要对接触盘与接触基座之间的连接进行评估或者说品质控制，这只能以巨大的耗费来进行。
由DE 33 02 595 A1已知一种接触基座，其中以螺旋线形状缠绕的或者说设有螺旋线形的凹部的本体由导电性较低的第一材料和导电性较高的并且熔化及浇注温度较低的第二材料浇注而成，其中尤其所述螺旋线匝之间的空间或者说所述凹部被浇注。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，如前面已经解释的一样，将接触盘焊接到所述接触基座上。
由DE 195 13 790 A1已知一种接触元件，其中弧状电极件、弧状电极保持件、线圈电极件和电极棒(馈电件)如此构成，使得它们形成整体的结构。在此，所述弧状电极件和弧状电极保持件、线圈电极件和馈电件之间的连接区域中的至少一个连接区域根据热等静压加工(HIP)来整体地制造。在DE 195 13 790 A1中所描述的方法的不利之处是，该方法需要多个单个的步骤。
发明内容
因此，本发明的任务是，说明一种用于接触元件的得到改进的制造方法以及一种接触元件，由此避免所描述的缺点。
根据本发明，该任务通过一种制造方法来解决，在该方法中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导电材料和第二导电材料的复合体构成的预压制的、盘形的第一生坯体放入到冲压模具中。将内部的冲压冲头放入到所述模具中并且将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具有第一导电材料的预压制的第二生坯体放入到模具与内部的冲压冲头之间的间隙中。将外部的冲压冲头放入到模具与内部的冲压冲头之间的间隙中。将冲压压力施加到所述外部的和内部的冲压冲头上并且更确切地说如此施加到所述外部的和内部的冲压冲头上，使得从所述第一粉末状混合物或第一生坯体中产生形成接触元件的接触盘的盘形区域，并且从所述第二粉末或第二粉末状混合物或第二生坯体中产生形成接触元件的接触体或者说接触基座的区域。
在所述按本发明的方法的一种有利的改进方案中，额外地将电压加载到所述冲压冲头和模具上。
在一种有利的改进方案中，在此如此选择电压馈入点以及相应所馈入的电功率，使得流过所述粉末或生坯体的电流差不多均匀地分布。
在一种有利的改进方案中，在与粉末或生坯体中的其中之一接触之前给所述模具和/或冲压冲头施加脱模剂、尤其施加石墨涂层或氮化硼涂层。
在一种有利的改进方案中，所述第一粉末是由铜颗粒和铬颗粒构成的混合物、尤其是以CuCr25或CuCr30或CuCr35比例构成的混合物。
在一种有利的改进方案中，在对所述粉末和/或生坯体进行压制和烧结之后，将多个在周界范围内分布的、倾斜放置的狭槽如此掏制到所述接触元件或形成接触体的区域中，从而在电流流动时能够产生磁场，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。
本发明还涉及一种用于通过前述方法制造或可制造的真空开关的接触元件，所述接触元件具有接触体和接触盘，其中所述接触体由第一导电材料或具有第一导电材料的复合材料制成，并且所述接触盘由复合材料、特别是除了第一导电材料之外还具有至少第二导电材料的颗粒复合材料制成的。
在此，所述接触元件是具有至少两个拥有不同的材料成分的区域的统一体，其中这两个区域的材料成分遵循前面所解释的要求：如此选择所述与传统的接触元件的接触基座或者说接触体相对应的区域的材料，使得其具有高导电性，并且如此选择所述与传统的接触元件的接触盘相对应的区域的材料，使得其针对由于在开关时的电弧事件而产生的烧损是有抵抗能力的。
在本发明的有利的改进方案中，所述第一导电材料在此是铜。
在本发明的有利的改进方案中，所述第二导电材料在此是铬，其中作为(颗粒)复合材料尤其使用CuCr25或CuCr30或CuCr35。
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按照本发明来构成。
本发明的一个优点在于，相对于现有技术降低了用于按本发明的接触元件的制造耗费。尤其取消了在现有技术中所使用的、用于接触体和接触盘的不同部件的钎焊以及在这方面必需的准备步骤。此外，通过本发明得到实现的是，接触体与接触盘之间的连接在每个位置处都是理想的并且不具有由于空气夹杂、局部不同的焊料温度或者因机械或热原因而扩大的钎焊狭槽或表面污染等造成的缺陷部位，这些缺陷部位可能负面地影响到磁场并且导致真空开关管的电阻的升高。
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1以示意图示出了按照本发明的一种实施例的AMF触头；
图2以示意图示出了按照本发明的另一种实施例的RMF触头；
图3示意性地以局部的剖面图示出了按照本发明的一种实施例的真空开关；
图4A-D用图说明了所述按本发明的制造方法的一种实施例。
具体实施方式
图1示出了一种用于真空开关的AMF接触元件10，其具有由第一导电材料或拥有第一导电材料的复合材料制成的接触体11。所述第一导电材料在此优选是铜。
接触盘12或者说接触盘区域一体地被构造在接触体11的表面上、更准确地说被构造在接触体的后来应该形成真空开关的可分离的电连接部的表面上。
接触盘12由复合材料、尤其是颗粒复合材料制成，所述复合材料除了第一导电材料之外还具有至少第二导电材料。所述第二导电材料在此优选是铬或提高复合材料的针对烧损的抵抗能力的其他材料。
所述接触元件10具有多个在周界范围内分布的、倾斜放置的狭槽13，这些狭槽如此被掏制到接触元件中，使得这些狭槽(与相应的配对触头的几何形状一起)引起轴向磁场的构造并且由此引起所产生的电弧在接触盘上的大面积的分布。
图2示出了一种用于真空开关的RMF接触元件20，其具有又由第一导电材料或拥有第一导电材料的复合材料制成的接触体21。在此，所述第一导电材料这里也优选是铜。
环形的接触盘22或者说环形的接触盘区域又被一体地构造在接触体21的表面上、更准确地说被构造在接触体的后来应该形成真空开关的可分离的电连接部的表面上。
所述环形的接触盘22由复合材料、特别是颗粒复合材料制成，所述复合材料除了第一导电材料之外还具有至少第二导电材料。所述第二导电材料在这里也优选是铬或提高复合材料的针对烧损的抵抗能力的其他材料。
所述接触体21具有多个在周界范围内分布的、倾斜放置的狭槽23，这些狭槽如此被掏制到接触体中，使得这些狭槽(与相应的配对触头的几何形状一起)将触头的通过电弧围绕着装置的纵轴线的旋转引起的热负荷分布在接触盘上。
图3示出了具有两个按照本发明的触头10、20的真空开关管100。在此，纯示例性地详细地示出了两个按照图2的RMF触头20，为了更好的可区分性，它们的不同区域21、22明显不同地示出。在其它实施例中，使用按照图1的AMF触头或在与本发明相一致的情况下所设计的其他触头形式。
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。该连接螺栓与按照本发明的固定的触头10、20连接。按照本发明的能运动的触头10、20与固定的触头平面平行地定向并且由能运动的连接螺栓170承载。通过所述能运动的连接螺栓170朝固定的连接螺栓110的轴向运动将所述真空开关闭合，通过沿着相反方向的运动将所述真空开关断开。在此，所述能运动的连接螺栓在此在导引部160中得到导引。
在此，所述两个触头10、20布置在真空室130，该真空室衬有屏蔽件140并且由用绝缘材料制成的本体120构成。金属波纹管150用于在将能运动的连接螺栓穿入到真空室中的区域中使真空室130相对于周围环境密封。
图4借助于按照图1的AMF触头的示例示出了按本发明的制造方法的一种优选的实施例。在此，所述优选的实施例利用场支持和压力支持的烧结方法、特别优选所谓的火花等离子体烧结方法(SPS方法)。
一般而言，根据本发明，通过以下方法来制造接触元件10、20，即：将起始粉末或预压制的生坯体放入到模具中并且通过冲压冲头向其加载单轴作用的压力。同时，通过所述冲压冲头和所述模具的冲头使电流以串联的方式流经待烧结的样品。样品或模具由此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因此能够实现材料的有效烧结。
由第一和第二材料优选铜和铬的颗粒构成的混合物32、进一步优选按照已经提到的具有25％或30％或35％的铬份额的由铜和铬构成的混合物之一形成起始点图4A。将所述混合物送到由套筒210和下冲头240构成的冲压模具中。代替粉末，也能够将盘形的预压制的生坯体放入到所述模具中。这种面状地分布的材料32或者说盘形的生坯体后来形成接触元件10、20的接触盘区域12、22。
接着导入呈柱体的形式的内部的冲压冲头220，该内部的冲压冲头具有与冲压模具的套筒210的内直径相比较小的外直径。
现在将第一材料的粉末31、优选也就是铜粉末填入到内部的冲压冲头220与模具的套筒210之间的所产生的间隙或者说自由空间中。作为替代方案，在这里也能够放入空心筒形的预压制的生坯体或预加工的筒形坯件。这种粉末31或者说空心筒形的生坯体后来形成接触元件10、20的接触体区域11、21。
随后图4B，导入呈管区段或者说空心圆筒的形式的外部的冲压冲头230，所述外部的冲压冲头精确地接合到内部的冲压冲头220与套筒210之间的间隙或者说自由空间中并且施加冲压压力A。优选同时向冲压工具加载电压，以便引起上面所描述的有针对性的发热。
在此优选如此选择所述外部的冲压冲头230的形状，从而在施加冲压压力A时在必要时提高所述冲压压力A并且其也作为冲压压力B作用到内部的冲压冲头上、图4D之前首先压制较高地被堆叠的粉末31，使得所述冲压压力和电流尽可能均匀分布地加载在两个冲压冲头220、230的整个表面上。
在本发明的设计方案中，所述冲压或者说烧结能够分两个步骤来进行，方式是：紧接着在图4B所示的第一冲压步骤之后移去所述外部的冲压冲头230，将另外的粉末31A填入到内部的冲压冲头220与套筒210之间的间隙或者说自由空间中，并且将所述外部的冲压冲头230重新导入到内部的冲压冲头220与套筒210之间的间隙或者说自由空间中，并且实施最终的二次冲压，图4C和图4D。
图4D在此示出了一种具有相对于套筒210可运动的下冲头240的特殊的实施例和对外部的冲头230的冲压作用A、对内部的冲头220的冲压作用B和对下冲头240的冲压作用C。所述冲压作用A和B和C在此由冲压机引起，其中结合图4B所描述的所述内部的和外部的冲压冲头的形状引起以下结果，即：首先冲压压力A仅仅作用到外部的冲压冲头230上并且在对粉末31进行一定的压实之后冲压压力B才也被施加到内部的冲压冲头220上并且对所述粉末32进行压制，这可选通过下冲头240相对于套筒210的运动C来得到支持。通过所述一个或多个冲压压力的施加和可选电压的加载来进行烧结，该烧结在两种材料之间的界面区域中带有至少扩散过程并且通常也带有化学反应或者说合金形成。
通过前述方法，现场产生具有接触盘区域12、22和线圈体区域11、21的紧密的整体式触头。
优选给所述冲压模具的单件210、220、230、240的彼此接触的金属面和/或与待烧结的粉末或者说生坯体接触的面施加脱模剂、比如施加石墨涂层或施加氮化硼涂层。这样的脱模剂使得在冲压过程之后所述冲压模具的拆卸和所制造的复合体的取出变得容易。
用前述方法，能够制造如在图1中所示的全面状的接触盘10和如在图2中所示的环形的接触盘20。
在SPS方法结束时，接触元件可供使用，该接触元件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。同样，通常必需的是，还或是对线圈体开槽或是对整个触头开槽，如结合图1和图2所讨论的那样。
在此有利的是，能够在工作步骤中将所述狭槽掏制在接触盘区域12、22和接触体区域11、21中，并且能够取消如在现有技术中所必需的对预开槽的各个元件进行的费力的定向。
此外有利的是，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很少的废料。
在本发明的有利的改进方案中，也能够由复合材料来制造所述接触体，方式是：代替纯铜粉末31、31A而添加合适的、在烧结状态下超过铜的强度的由铜和其他材料构成的粉末混合物。这也能够局部地受限地进行，也就是说例如在所述接触体11、21的经受特殊的机械负荷和/或电负荷的区域、像例如触头10、20与连接螺栓110、170之间的接合部位中进行。
在本发明的实施例中，能够在第一烧结过程中首先制造环形的接触盘区域，并且在第二烧结过程中将这个环形的接触盘区域构造成全面状的接触盘(未示出)。在此，能够为所述环形的接触盘区域选择与为内部的接触盘区域选择的材料成分不同的材料成分，例如所述内部的接触盘区域中的铬份额能够相对于周围的环形的接触盘区域而提高，或者能够添加其它材料。因此，能够制造全面状的接触盘12，其传导性和磁性特性在接触盘的半径范围内变化，以便就这样有利地影响在接触状态中的电流分布和/或散热和/或在断开过程期间的电弧引导。
又在其它实施例中，能够实现在接触盘的半径范围内变化的材料成分，方式是：代替统一混合的粉末32而将径向不同的粉末成分填入到冲压模具中。在此，这种设计方案具有以下优点，即：在各个区域之间形成流畅的过渡部并且由此电特性和/或磁特性与在前述实施例中相比不太突然地变化。
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，借助于这里所描述的原理来设计并且制造其他形式的触头。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 (11)
1.一种用于制造针对真空开关(100)的接触元件(10、20)的方法，具有以下步骤：
-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(32)或由至少第一导电材料和第二导电材料的复合体构成的预压制的、盘形的第一生坯体放入到冲压模具(210、240)中；
-将内部的冲压冲头(220)放入到模具(210)中；
-将第一导电材料的颗粒的第二粉末(31、31A)或具有第一导电材料的颗粒的第二粉末状混合物或具有第一导电材料的预压制的第二生坯体填入到模具(210)与内部的冲压冲头(220)之间的间隙中；
-将外部的冲压冲头(230)放入到模具(210)与内部的冲压冲头(220)之间的间隙中；并且
-将冲压压力(A、B)施加到所述外部的冲压冲头和所述内部的冲压冲头上，使得从所述第一粉末状混合物(32)或所述第一生坯体中产生形成所述接触元件(10)的接触盘(12、22)的盘形区域，并且从所述第二粉末(31、31A)或所述第二粉末状混合物或所述第二生坯体中产生形成所述接触元件的接触体(11、21)的区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其中额外地将电压加载到所述冲压冲头(220、230)和所述模具(210、240)上。
3.根据权利要求2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，使得流经粉末(31、32)或生坯体的电流差不多均匀地分布。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在与粉末或生坯体中的其中之一接触之前给所述模具和/或所述冲压冲头施加脱模剂。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述第一粉末(32)是由铜颗粒和铬颗粒构成的混合物。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在对粉末(31、32)和/或生坯体进行压制和烧结之后，将多个在周界范围内分布的、倾斜放置的狭槽(13、23)掏制到所述接触元件(10，20)中或形成其接触体(11、21)的区域中，使得在电流流动时能够产生磁场，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。
7.一种用于真空开关(100)的接触元件(10、20)，通过根据前述权利要求中的任一项所述的方法制造或能制造，所述接触元件具有接触体(11、21)和接触盘(12、22)，其中所述接触体由第一导电材料或具有第一导电材料的复合材料制成，并且所述接触盘由除了第一导电材料之外还具有至少第二导电材料的复合材料制成。
8.根据权利要求7所述的接触元件，其中所述第一导电材料是铜。
9.根据权利要求7或8中的任一项所述的接触元件，其中所述第二导电材料是铬。
10.根据权利要求9的接触元件，其中所述复合材料是CuCr25或CuCr30或CuCr35。
11.一种真空开关(100)，具有真空室(130)，在所述真空室的内部布置了两个接触元件(10、20)，其中所述接触元件(10、20)中的至少一个接触元件是根据权利要求7至10中的任一项所述的接触元件。
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