DE102015218480A1

DE102015218480A1 - Contact piece for a vacuum switch and electrical switch

Info

Publication number: DE102015218480A1
Application number: DE102015218480.3A
Authority: DE
Inventors: Werner Hartmann; Sylvio Kosse; Dirk Pohle; Carsten Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-03-30
Also published as: WO2017050533A1

Abstract

Es wird ein Kontaktstück für einen Vakuumschalter offenbart, wobei das Kontaktstück eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst. Die erste Schicht ist als Trägerschicht mechanisch stabil ausgebildet, die zweite Schicht weist eine hohe Stromleitfähigkeit (σ) und thermische Belastbarkeit auf, und die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht ist größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht.A contact piece for a vacuum switch is disclosed, wherein the contact piece comprises a first layer and a second layer. The first layer is designed to be mechanically stable as a carrier layer, the second layer has a high current conductivity (σ) and thermal capacity, and the current conductivity of the second layer is greater than the current conductivity of the first layer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktstück für einen Vakuumschalter und einen elektrischen Schalter mit solch einem Kontaktstück.The invention relates to a contact piece for a vacuum switch and an electrical switch with such a contact piece.

Vakuumschalter werden neben dem Mittelspannungsbereich auch in Anwendungen im Hochspannungs- bzw. Niederspannungsbereich eingesetzt. Vakuumschalter umfassen eine Vakuumschaltröhre, in der sich das Kontaktsystem zum Öffnen und Schließen des Stromkreises befindet. Kontaktsysteme haben typischerweise im Kontaktspalt wirksame Magnetfeldkomponenten senkrecht zur Stromflussrichtung im Schaltplasma. Beispielsweise sind dies sogenannte Radialfeld-(RMF) bzw. Transversalfeld-Kontakte (TMF).In addition to the medium-voltage range, vacuum switches are also used in high-voltage and low-voltage applications. Vacuum switches include a vacuum interrupter in which the contact system is for opening and closing the circuit. Contact systems typically have effective magnetic field components in the contact gap perpendicular to the current flow direction in the switching plasma. For example, these are so-called radial field (RMF) and transverse field contacts (TMF).

Typischerweise wird bei Schaltkontakten für Vakuumschaltröhren im Nieder-, Mittel- und Hochspannungsbereich beim Öffnen der Kontakte unter Strombelastung ein Lichtbogen gezündet, der im Plasma des Metalldampfes brennt, welcher bei der Wechselwirkung des Plasmas mit den Kontaktoberflächen entsteht. Dieser Lichtbogen brennt bis zum folgenden Stromnulldurchgang (in Wechselstromnetzen), wo er aufgrund der raschen Wiederverfestigung der Schaltstrecke verlöscht, so dass nachfolgend der elektrische Schalter nicht nur mechanisch, sondern auch elektrisch geöffnet ist.Typically, in switching contacts for vacuum interrupters in the low, medium and high voltage range when opening the contacts under current load an arc ignited, which burns in the plasma of the metal vapor, which is formed in the interaction of the plasma with the contact surfaces. This arc burns until the following current zero crossing (in AC networks), where it goes out due to the rapid reconsolidation of the switching path, so that subsequently the electrical switch is not only mechanically but also electrically open.

Bei diesem Vorgang werden die Kontaktoberflächen einer sehr hohen thermischen Belastung ausgesetzt, wodurch die Kontakte aufschmelzen und teilweise verdampfen. Bei thermischer Überlastung der Kontakte wird so viel Metalldampf erzeugt, dass der Lichtbogen nicht mehr im Stromnulldurchgang verlöscht, sondern weiterbrennt. In so einer Situation versagt das Schaltgerät.In this process, the contact surfaces are exposed to a very high thermal load, causing the contacts to melt and partially evaporate. When thermal overload of the contacts so much metal vapor is generated that the arc no longer extinguished in the current zero crossing, but continues to burn. In such a situation, the switching device fails.

Zur Sicherstellung, dass eine vorgegebene Maximalbelastung des Kontaktsystems nicht überschritten wird, und mit sehr hoher Sicherheit im ersten Stromdurchgang der den Lichtbogen treibenden Stromhalbwelle dieser verlöscht, sind verschiedene Maßnahmen bekannt.To ensure that a predetermined maximum load of the contact system is not exceeded, and extinguishes with very high security in the first passage of the arc driving current half-wave of this, various measures are known.

Der Lichtbogen kann über ein transversales (manchmal auch als radiales Feld bezeichnetes) Magnetfeld (TMF) magnetisch angetrieben werden, so dass sich die thermische Belastung der Kontaktoberfläche zeitlich und räumlich über ausreichend große Bereiche verteilt. Des Weiteren kann durch die Überlagerung eines in Bezug auf die Stromflussrichtung im Schaltlichtbogen axialen Magnetfeldes (AMF) der Lichtbogen diffus und großflächig über die Kontaktoberfläche verteilt werden.The arc can be magnetically driven via a transverse magnetic field (TMF), sometimes referred to as a radial field, so that the thermal stress on the contact surface is distributed over sufficiently large areas in time and space. Furthermore, by overlaying an axial magnetic field (AMF) which is axial with respect to the direction of current flow in the switching arc, the arc can be distributed diffusely over a large area over the contact surface.

Für beide Prinzipien hat sich als Kontaktwerkstoff der Werkstoff Kupfer-Chrom mit einer Zusammensetzung CuCrY, wobei Y den Cr-Anteil in Atomprozent angibt, als bestmöglicher Werkstoff durchgesetzt. Insbesondere bei TMF-Kontakten nach dem Spiralkontaktprinzip, welches beispielsweise in der DE 196 24 920 A1 beschrieben wird, werden Kontaktscheiben aus CuCr-Werkstoffen eingesetzt, die in spiralförmiger Richtung strukturiert sind, so dass ein Lichtbogen, der mindestens leicht außermittig des Kontakts gezündet wurde, von den magnetischen Feldkräften in Richtung eines Spiralarmes getrieben wird und auf diesem läuft, bis er dessen Ende erreicht.For both principles, the material copper-chromium with a composition CuCrY, where Y indicates the Cr content in atomic percent, has established itself as the best possible material as a contact material. Especially with TMF contacts according to the spiral contact principle, which, for example, in the DE 196 24 920 A1 is described, contact discs of CuCr materials are used, which are structured in a spiral direction, so that an arc that was ignited at least slightly off-center of the contact is driven by the magnetic field forces in the direction of a spiral arm and runs on this until it Reached the end.

Die hohen Anforderungen an den Kontaktwerkstoff wie beispielsweise hohe Reinheit, geringe Porosität, möglichst feinkristalline Struktur sowie hohe Festigkeit, führen dazu, dass trotz der hohen Kontaktwerkstoffkosten einstückige Kontaktscheiben eingesetzt werden, welche meist über pulvermetallurgische Prozesse wie beispielsweise Sintern oder durch Vakuumlichtbogen-Umschmelzen hergestellt werden.The high demands on the contact material such as high purity, low porosity, finely structured as possible and high strength, cause that despite the high contact material costs integral contact discs are used, which are usually produced by powder metallurgy processes such as sintering or vacuum arc remelting.

Die hohen mechanischen Anforderungen an ein solches Kontaktstück im Betrieb erfordern dabei eine ausreichende mechanische Stabilität, so dass die Dicke der Kontaktscheiben typischerweise im Bereich von 6 bis 8 mm liegt. Dadurch steigen sowohl die Material- als auch die Bearbeitungskosten zur Herstellung der Spiralkontaktstruktur, so dass diese Kontaktscheiben einen erheblichen Beitrag zu den Kosten einer Vakuumschaltröhre liefern. Zudem fließt ein erheblicher Teil des den Lichtbogen antreibenden Stroms in dem dem Lichtbogen abgewandten Teil des Spiralarmes, wodurch die antreibende Magnetfeldkomponente und damit auch das Ausschaltvermögen des Kontaktes verringert werden. Typischerweise wird dazu zur Kompensation das Kontaktstück wiederum vergrößert, was die Kosten weiter erhöht.The high mechanical requirements for such a contact piece during operation require sufficient mechanical stability, so that the thickness of the contact discs is typically in the range of 6 to 8 mm. As a result, both the material and the processing costs for producing the spiral contact structure increase, so that these contact discs make a significant contribution to the cost of a vacuum interrupter. In addition, a significant part of the current driving the arc flows in the part of the spiral arm facing away from the arc, whereby the driving magnetic field component and thus also the breaking capacity of the contact are reduced. Typically, to compensate for the contact is in turn increased, which further increases the cost.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktstück für einen Vakuumschalter zur Verfügung zu stellen, welches zum einen den hohen thermischen Belastungen im Schaltprozess standhält, zum anderen aber den Lichtbogen optimal über das Kontaktstück an der Oberfläche, die zum Lichtbogen gerichtet ist, führt. Optimal im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass der Lichtbogen auf dem Kontaktstück mit einer hohen, gleichmäßigen Geschwindigkeit und unter Ausnutzung der gesamten Kontaktstückoberfläche läuft.The invention is therefore an object of the invention to provide a contact piece for a vacuum switch available, which on the one hand withstands the high thermal loads in the switching process, but on the other hand, the arc optimally over the contact piece on the surface, which is directed to the arc leads. Optimal in the sense of the present invention means that the arc runs on the contact piece with a high, uniform speed and with utilization of the entire contact piece surface.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kontaktstück für einen Vakuumschalter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kontaktstückes sind in Unteransprüchen angegeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenso durch den elektrischen Schalter gemäß Anspruch 14 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters ist in einem Unteranspruch angegeben.This object is achieved by the contact piece for a vacuum switch according to claim 1. Advantageous embodiments of the contact piece according to the invention are specified in subclaims. The object is also achieved by the electric switch according to claim 14. An advantageous Embodiment of the electrical switch according to the invention is specified in a dependent claim.

Das Kontaktstück für einen Vakuumschalter gemäß Anspruch 1 umfasst eine erste Schicht und eine zweite Schicht, wobei die erste Schicht als Trägerschicht mechanisch stabil ausgebildet ist, die zweite Schicht eine hohe Stromleitfähigkeit (σ) und thermische Belastbarkeit aufweist und die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht ist. Vorteilhaft hierbei ist, dass solch ein Kontaktstück die beiden Funktionen „mechanische Belastbarkeit” und „Kontaktfunktionsschicht” durch Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe trennt, wodurch nicht nur die Kosten gesenkt werden, sondern auch die jeweilige Funktion separat optimiert werden kann. Ebenso ist es dadurch möglich, die Gesamtdicke der Kontakte zu verringern, ohne deren Funktionalität zu beeinträchtigen, was zu einer weiteren Verringerung der Kosten beiträgt.The contact piece for a vacuum switch according to claim 1 comprises a first layer and a second layer, wherein the first layer is mechanically stable as a carrier layer, the second layer has a high current conductivity (σ) and thermal capacity and the current conductivity of the second layer is greater than that Current conductivity of the first layer is. The advantage here is that such a contact piece separates the two functions "mechanical strength" and "contact functional layer" by using different materials, which not only reduces costs, but also the respective function can be optimized separately. It also makes it possible to reduce the overall thickness of the contacts without compromising their functionality, which contributes to a further reduction in cost.

In einer Ausgestaltung ist die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht größer als 19·10⁶ Ω^–1m^–1. Dies entspricht ungefähr einem Drittel der Leitfähigkeit von reinem Kupfer.In one embodiment, the current conductivity of the second layer is greater than 19 · 10 ⁶ Ω ^-1 m ^-1 . This corresponds to about one third of the conductivity of pure copper.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht mindestens dreimal größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht. Dadurch, dass die Schichten einen großen Unterschied in der Stromleitfähigkeit aufweisen, wird sichergestellt, dass der Strom im Falle eines Lichtbogens hauptsächlich in der zweiten Schicht, die zum Lichtbogen gerichtet ist, fließt.In a further embodiment, the current conductivity of the second layer is at least three times greater than the current conductivity of the first layer. The fact that the layers have a large difference in the current conductivity ensures that the current in the case of an arc flows mainly in the second layer, which is directed towards the arc.

In einer Ausgestaltung besteht die erste Schicht aus hochfesten Werkstoffen oder Verbundwerkstoffen wie Keramiken, faserverstärkte Keramiken, Karbiden, Wolfram, Tantal, Stählen oder Legierungen. Diese Materialien stellen sicher, dass die im geschlossenen Zustand des Schalters und im Verlauf des Schaltvorgangs durch Erwärmung auftretenden thermomechanischen Spannungen das Kontaktstück nicht zu sehr dehnen bzw. deformieren. Ebenso wird die Bruchfestigkeit des Kontaktstückes durch solche Materialien erhöht.In one embodiment, the first layer consists of high-strength materials or composite materials such as ceramics, fiber-reinforced ceramics, carbides, tungsten, tantalum, steels or alloys. These materials ensure that the thermo-mechanical stresses that occur in the closed state of the switch and during the switching process by heating not stretch or deform the contact piece too much. Likewise, the breaking strength of the contact piece is increased by such materials.

In einer weiteren Ausgestaltung besteht die zweite Schicht aus einem der Materialien von CuCr20 bis CuCr70. Die zweite Schicht kann in einer Dicke von 1 bis 3 mm ausgebildet sein.In a further embodiment, the second layer consists of one of the materials of CuCr20 to CuCr70. The second layer may be formed in a thickness of 1 to 3 mm.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Kontaktstück im Wesentlichen rund als Scheibe ausgebildet. Das Kontaktstück kann im Wesentlichen eine konstante Dicke d aufweisen und die zweite Schicht kann in ihrer Dicke vom Zentrum zum Rand abnehmen.In a further embodiment, the contact piece is designed substantially round as a disk. The contact piece may have a substantially constant thickness d and the second layer may decrease in thickness from the center to the edge.

In einer weiteren Ausgestaltung weist das Kontaktstück von einem Zentrum Z ausgehende nach außen verlaufende Schlitze auf. Ebenso kann lediglich die zweite Schicht vom Zentrum ausgehende nach außen verlaufende Schlitze aufweisen, wobei die erste Schicht im Wesentlichen rund als Scheibe ausgebildet ist.In a further embodiment, the contact piece has outwardly extending slots starting from a center Z. Likewise, only the second layer may have outwardly extending slots extending from the center, wherein the first layer is formed substantially round as a disk.

In einer weiteren Ausgestaltung ist im Zentrum Z die erste Schicht unterbrochen und zur besseren Kontaktierung ein leitendes Material in dieser Unterbrechung eingefügt.In a further embodiment, the first layer is interrupted in the center Z and inserted for better contacting a conductive material in this interruption.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Kontaktstück zusätzlich eine dritte Schicht, wobei die dritte Schicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist. Diese Schicht kann als Haftvermittler zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht dienen, kann die Anpassung der thermischen Ausdehnung zwischen erster und zweiter Schicht verbessern und kann ebenfalls positiv das Magnetfeld beeinflussen.In a further embodiment, the contact piece additionally comprises a third layer, wherein the third layer is arranged between the first layer and the second layer. This layer can serve as a bonding agent between the first layer and the second layer, can improve the adaptation of the thermal expansion between the first and second layer and can also positively influence the magnetic field.

In einer Ausgestaltung ist die dritte Schicht 1 mm dick ausgebildet.In one embodiment, the third layer is formed 1 mm thick.

In einer weiteren Ausgestaltung kommt zur Herstellung des Kontaktstücks ein Field Assisted Sintering Technology(FAST)-Verfahren wie Spark Plasma Sintering (SPS), Electro Sinter Forging (ESF), Dielectric Discharge Sintering (DDS) oder Electro Resistive Welding (ERW) zum Einsatz.In a further embodiment, the contact piece is produced using field-assisted sintering technology (FAST) methods such as spark plasma sintering (SPS), electro sintering forging (ESF), dielectric discharge sintering (DDS) or electro-resistive welding (ERW).

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenso durch den elektrischen Schalter gemäß Anspruch 15 gelöst, der ein erstes erfindungsgemäßes Kontaktstück und ein zweites erfindungsgemäßes Kontaktstück umfasst, und bei dem das erste und das zweite Kontaktstück jeweils auf einem Tragbolzen montiert sind.The object is also achieved by the electric switch according to claim 15, which comprises a first contact piece according to the invention and a second contact piece according to the invention, and in which the first and the second contact piece are each mounted on a support pin.

In einer Ausgestaltung ist die erste Schicht des jeweiligen ersten und zweiten Kontaktstücks mit dem jeweiligen Tragbolzen verbunden.In one embodiment, the first layer of the respective first and second contact piece is connected to the respective support pin.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which will be described in more detail in connection with the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1A und 1B Kontaktstück für einen Vakuumschalter mit erster und zweiter Schicht sowie Kontaktstück mit einer zusätzlichen dritten Schicht; 1A and 1B Contact piece for a vacuum switch with first and second layer and contact piece with an additional third layer;

2A und 2B Kontaktstück für einen Vakuumschalter mit erster und zweiter Schicht sowie Kontaktstück mit Unterbrechung der ersten Schicht und leitendem Material; 2A and 2 B Contact piece for a vacuum switch with first and second layer and contact piece with interruption of the first layer and conductive material;

3A und 3B Kontaktstück mit erster und zweiter Schicht sowie Kontaktstück mit zusätzlicher dritten Schicht; und 3A and 3B Contact piece with first and second layer and contact piece with additional third layer; and

4 Elektrischer Schalter mit einer Vakuumröhre und einem ersten und einem zweiten Kontaktstück. 4 Electric switch with a vacuum tube and a first and a second contact piece.

In den 1A und 1B ist ein Kontaktstück 100 für einen Vakuumschalter 1000 dargestellt. Dabei zeigt 1A das Kontaktstück 100 mit einer ersten Schicht 110 und einer zweiten Schicht 120. Die erste Schicht 110 ist als Trägerschicht mechanisch stabil ausgebildet. Dies bedeutet, dass diese Schicht die mechanischen und thermomechanischen Spannungen, die beim Öffnen und Schließen des Vakuumschalters 1000 unter Stromfluss durch den entstehenden Lichtbogen auf das Kontaktstück 100 wirken, widerstehen kann. Die erste Schicht 100 als Trägerschicht stellt sicher, dass das Kontaktstück 100 möglichst wenig verformt wird und nicht bricht während des Öffnens und Schließens des elektrischen Schalters 1000 und während des Brennens des Lichtbogens.In the 1A and 1B is a contact piece 100 for a vacuum switch 1000 shown. It shows 1A the contact piece 100 with a first layer 110 and a second layer 120 , The first shift 110 is formed mechanically stable as a carrier layer. This means that this layer covers the mechanical and thermo-mechanical stresses that occur when opening and closing the vacuum switch 1000 under current flow through the resulting arc on the contact piece 100 act, can resist. The first shift 100 As a carrier layer ensures that the contact piece 100 deformed as little as possible and does not break during opening and closing of the electrical switch 1000 and during the burning of the arc.

Das Kontaktstück 100 umfasst weiter eine zweite Schicht 120, die eine hohe Stromleitfähigkeit σ und thermische Belastbarkeit aufweist. Die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht 120 ist größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht 110. Dies stellt sicher, dass während des Brennens des Lichtbogens der elektrische Strom im Kontaktstück 100 möglichst nah an der Oberfläche innerhalb der zweiten Schicht 120 geführt wird. Der Lichtbogen entsteht an der zweiten Schicht 120, die erste Schicht 110 als Trägerschicht ist typischerweise mit einem Tragbolzen verbunden. Die hohe thermische Belastbarkeit der ersten Schicht 120 stellt sicher, dass irreversible Verformungen bedingt durch die hohen Temperaturen beim Brennen des Lichtbogens vermieden werden.The contact piece 100 further includes a second layer 120 , which has a high current conductivity σ and thermal capacity. The current conductivity of the second layer 120 is greater than the current conductivity of the first layer 110 , This ensures that during the burning of the arc, the electric current in the contact piece 100 as close to the surface as possible within the second layer 120 to be led. The arc is formed on the second layer 120 , the first layer 110 as a carrier layer is typically connected to a support pin. The high thermal resistance of the first layer 120 ensures that irreversible deformations due to the high temperatures during arc burning are avoided.

Die Stromleitfähigkeit σ der zweiten Schicht 120 soll größer als 19·10⁶ Ω^–1m^–1 sein. Dies entspricht ungefähr einem Drittel der Leitfähigkeit σ von Kupfer. Um sicherzustellen, dass der Stromfluss beim Brennen eines Lichtbogens durch die zweite Schicht 120 verläuft, ist die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht 120 mindestens dreimal größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht 110 ausgebildet. Dies wird durch die Wahl der Materialien für die erste Schicht 110 und die zweite Schicht 120 sichergestellt.The current conductivity σ of the second layer 120 should be greater than 19 · 10 ⁶ Ω ^-1 m ^-1 . This corresponds to about one third of the conductivity σ of copper. To ensure that the current flow when burning an arc through the second layer 120 runs, is the Stromleitfähigkeit the second layer 120 at least three times larger than the current conductivity of the first layer 110 educated. This is done by choosing the materials for the first layer 110 and the second layer 120 ensured.

Die zweite Schicht 120 besteht typischerweise aus Materialien der Klasse CuCrY mit ggf. zusätzlichen Dotierelementen, wobei Y den Cr-Anteil in Atomprozent angibt. Vorteilhaft hat sich die Verwendung von Materialien zwischen CuCr20 bis CuCr70 herausgestellt. Diese Materialien haben eine Stromleitfähigkeit σ, die größer als 19·10⁶ Ω^–1m^–1 beträgt.The second layer 120 typically consists of materials of class CuCrY with optionally additional doping elements, wherein Y indicates the Cr content in atomic percent. Advantageously, the use of materials between CuCr20 to CuCr70 has been found. These materials have a current conductivity σ which is greater than 19 · 10 ⁶ Ω ^-1 m ^-1 .

Die erste Schicht 110 soll typischerweise aus hochfesten Werkstoffen oder Verbundwerkstoffen wie Keramiken, faserverstärkte Keramiken, Karbiden, Wolfram, Tantal, Stählen oder Legierungen bestehen.The first shift 110 is typically made of high strength materials or composites such as ceramics, fiber reinforced ceramics, carbides, tungsten, tantalum, steels or alloys.

Dadurch wird zum einen die mechanische Stabilität der ersten Schicht 110 als Trägerschicht sichergestellt, zum anderen, dass die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht 120 mindestens dreimal größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht 110 ausgebildet ist.As a result, on the one hand, the mechanical stability of the first layer 110 ensured as a carrier layer, on the other hand, that the current conductivity of the second layer 120 at least three times larger than the current conductivity of the first layer 110 is trained.

Die zweite Schicht 120 ist typischerweise in einer Dicke von 1 bis 3 mm ausgebildet. Die Dicke der ersten Schicht 110 als Trägerschicht wird typischerweise so gewählt, dass die mechanischen Festigkeitsbedingungen und thermomechanischen Randbedingungen, die auf das Kontaktstück 100 wirken, erfüllt sind.The second layer 120 is typically formed in a thickness of 1 to 3 mm. The thickness of the first layer 110 As a carrier layer is typically chosen so that the mechanical strength conditions and thermo-mechanical boundary conditions on the contact piece 100 act, are fulfilled.

Kontaktstücke 100 für Vakuumschalter 1000 sind typischerweise als Scheibe ausgebildet. Somit ist in den 1A und 1B ein Durchmesser solch einer Scheibe dargestellt. Das Kontaktstück 100 als Scheibe weist im Wesentlichen eine konstante Dicke d auf. Entsprechend der 1A nimmt die Dicke der zweiten Schicht 120 vom Zentrum zum Rand ab, entsprechend gegenläufig nimmt die Dicke der ersten Schicht 110 vom Rand zum Zentrum hinab. Ein solcher Verlauf von erster Schicht 110 und zweiter Schicht 120 erzeugt ein vorteilhaftes Magnetfeld zum Antreiben des Lichtbogens über dem Kontaktstück 100.contacts 100 for vacuum switch 1000 are typically formed as a disc. Thus, in the 1A and 1B a diameter of such a disc is shown. The contact piece 100 as a disk has substantially a constant thickness d. According to the 1A takes the thickness of the second layer 120 From the center to the edge, in opposite directions, the thickness of the first layer increases 110 down from the edge to the center. Such a course of first layer 110 and second layer 120 generates an advantageous magnetic field for driving the arc over the contact piece 100 ,

Das Kontaktstück 100 kann vom Zentrum ausgehende nach außen verlaufende Schlitze aufweisen, wie sie beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 19 624 920 A1 beschrieben sind. Ebenso ist es möglich, dass diese Schlitze sich nicht auf die erste Schicht 110 als Trägerschicht beziehen, sondern lediglich die zweite Schicht 120 vom Zentrum ausgehend nach außen verlaufende Schlitze aufweist.The contact piece 100 may have outgoing from the center outwardly extending slots, as for example in the published patent application DE 19 624 920 A1 are described. Likewise, it is possible that these slots are not on the first layer 110 as the carrier layer, but only the second layer 120 Starting from the center outwardly extending slots.

Das Kontaktstück 100 für einen Vakuumschalter 1000 kann zusätzlich eine dritte Schicht 130 aufweisen, wie dies in der 1B dargestellt ist. Dabei ist die dritte Schicht 130 zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120 angeordnet. Diese Anordnung der dritten Schicht 130 kann der Verbesserung der Haftung zwischen der ersten Schicht 110 als Trägerschicht und der zweiten Schicht 120 als oberer Funktionsschicht dienen. Ebenso dient die dritte Schicht 130 der Anpassung der thermischen Ausdehnung zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120. Das Material der dritten Schicht 130 kann aus der Klasse der Materialien CuCrY bestehen. Je nach verwendetem Material der ersten und zweiten Schicht (Leitfähigkeit, thermische Dehnung) sind jedoch für diese dritte Schicht 130 Zusammensetzungen im Bereich von CuCr0 bis CuCr75 sinnvoll. Die dritte Schicht 130 ist typischerweise 1 mm dick ausgebildet.The contact piece 100 for a vacuum switch 1000 In addition, a third layer 130 have, as in the 1B is shown. Here is the third layer 130 between the first layer 110 and the second layer 120 arranged. This arrangement of the third layer 130 can improve the adhesion between the first layer 110 as a carrier layer and the second layer 120 serve as the upper functional layer. Likewise, the third layer serves 130 the adaptation of the thermal expansion between the first layer 110 and the second layer 120 , The material of the third layer 130 may consist of the class of materials CuCrY. However, depending on the used material of the first and second layer (conductivity, thermal expansion) are for this third layer 130 Compositions in the range of CuCr0 to CuCr75 makes sense. The third layer 130 is typically formed 1 mm thick.

In 2A ist eine andere räumliche Verteilung zwischen der ersten Schicht 110 als Trägerschicht und der zweiten Schicht 120 dargestellt. Auch hier ist die Dicke der zweiten Schicht 120 im Zentrum größer als am Rand des Kontaktstückes 100.In 2A is another spatial distribution between the first layer 110 as a carrier layer and the second layer 120 shown. Again, the thickness of the second layer 120 in the center larger than at the edge of the contact piece 100 ,

In 2B ist ein Kontaktstück 100 dargestellt, welches eine Unterbrechung der ersten Schicht 110 aufweist. In dieser Unterbrechung der ersten Schicht 110 im Zentrum Z des Kontaktstückes 100 ist ein leitendes Material 140 eingefügt. Dies kann beispielsweise Kupfer sein. Das leitende Material 140 stellt sicher, dass bei der Anbindung des Kontaktstückes 100 auf einem Tragbolzen der Stromfluss auf das Kontaktstück 100 optimal stattfinden kann. Das leitende Material 140 in der Unterbrechung (zentrischer Einsatz) kann aus dem gleichen Material wie die zweite Schicht 120 bestehen.In 2 B is a contact piece 100 shown, which is an interruption of the first layer 110 having. In this interruption of the first shift 110 in the center Z of the contact piece 100 is a conductive material 140 inserted. This can be, for example, copper. The conductive material 140 ensures that when connecting the contact piece 100 on a supporting bolt the current flow on the contact piece 100 can take place optimally. The conductive material 140 in the interruption (centric use) can be made of the same material as the second layer 120 consist.

Die 3A und 3B zeigen ebenso ein erfindungsgemäßes Kontaktstück 100 bestehend aus einer ersten Schicht 110 als Trägerschicht und einer zweiten Schicht 120. Beispielsweise kann in der 3A die zweite Schicht 120 aus CuCr40 gefertigt sein.The 3A and 3B also show a contact piece according to the invention 100 consisting of a first layer 110 as a carrier layer and a second layer 120 , For example, in the 3A the second layer 120 made of CuCr40.

In der 3B ist eine zusätzliche dritte Schicht 130 dargestellt, die beispielsweise aus Kupfer gebildet ist. Die zweite Schicht 120 kann beispielsweise CuCr40 sein und eine Dicke von 1,5 mm aufweisen, die dritte Schicht 130, gebildet aus Kupfer, kann eine Dicke von 1 mm aufweisen.In the 3B is an additional third layer 130 represented, for example, formed of copper. The second layer 120 may be, for example, CuCr40 and have a thickness of 1.5 mm, the third layer 130 formed of copper, may have a thickness of 1 mm.

In der 4 ist ein elektrischer Schalter 1000 dargestellt, der eine Vakuumschaltröhre 500 umfasst. Zum Schalten eines elektrischen Stroms sind ein erstes Kontaktstück 100 und ein zweites Kontaktstück 101 innerhalb der Vakuumschaltröhre 500 angeordnet. Das erste Kontaktstück 100 ist auf einem Tragbolzen 510 angeordnet, der ortsfest in der Vakuumschaltröhre 500 ist. Das zweite Kontaktstück 101 ist auf einem zweiten Tragbolzen 520 montiert, der über einen Antrieb 530 bewegt werden kann. Diese Bewegung ist so gerichtet, dass das Kontaktstück 101 auf das Kontaktstück 100 hinzu bewegt werden kann und dadurch der Kontakt geschlossen werden kann. Zum Öffnen des elektrischen Schalters 1000 werden die Kontakte 100; 101 voneinander getrennt, wie es in der 4 dargestellt ist. Die Kontaktstücke 100; 101 sind jeweils mit der ersten Schicht 110 als Tragschicht mit dem Tragbolzen 510; 520 verbunden. Beispielsweise können die Kontaktstücke 100; 101 mittels einer Lötverbindung auf dem jeweiligen Tragbolzen 510; 520 angebracht sein.In the 4 is an electrical switch 1000 shown a vacuum interrupter 500 includes. For switching an electric current are a first contact piece 100 and a second contact piece 101 inside the vacuum interrupter 500 arranged. The first contact piece 100 is on a carrying bolt 510 arranged, the stationary in the vacuum interrupter 500 is. The second contact piece 101 is on a second support bolt 520 mounted, via a drive 530 can be moved. This movement is directed so that the contact piece 101 on the contact piece 100 can be moved and thereby the contact can be closed. To open the electrical switch 1000 become the contacts 100 ; 101 separated as in the 4 is shown. The contact pieces 100 ; 101 are each with the first layer 110 as a base layer with the support bolt 510 ; 520 connected. For example, the contact pieces 100 ; 101 by means of a solder joint on the respective support pin 510 ; 520 to be appropriate.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kontaktstücke 100 aus erster Schicht 110 als Trägerschicht und zweiter Schicht 120 mit hoher Stromleitfähigkeit kommen verschiedene bekannte Verfahren in Frage. Beispielsweise sind dies das Plattieren blechförmiger Ausgangswerkstoffe, das Hintergießen von beispielsweise gestanzten Trägerscheiben mit Kontaktmaterial wie CuCr, Injection Moulding (IM) entsprechender flüssiger oder pulverförmiger Ausgangswerkstoffe mit gegebenenfalls nachfolgender Wärme und/oder Druckbehandlung wie beispielsweise Sintern, Field Assisted Sintering Technology(FAST)-Verfahren (wie beispielsweise Spark Plasma Sintering (SPS), Electro Sinter Forging (ESF), Dielectric Discharge Sintering (DDS) oder Electro Resistive Welding (ERW)), Hot/Cold Isostatic Pressing (HIP, CIP), SPS-Verfahren um Funktionsschichten wie CuCr auf Trägermaterial aufzubringen und weitere Verfahren.For producing the contact pieces according to the invention 100 from first shift 110 as carrier layer and second layer 120 With high current conductivity, various known methods come into question. For example, these are the plating of sheet-like starting materials, the back-casting of, for example, stamped carrier disks with contact material such as CuCr, Injection Molding (IM) corresponding liquid or powder starting materials with optional subsequent heat and / or pressure treatment such as sintering, Field Assisted Sintering Technology (FAST) method (such as Spark Plasma Sintering (SPS), Electro Sintering Forging (ESF), Dielectric Discharge Sintering (DDS) or Electro Resistive Welding (ERW)), Hot / Cold Isostatic Pressing (HIP, CIP), PLC processes around functional layers like CuCr Apply to carrier material and other methods.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kontaktstücks 100 sind besonders die Field Assisted Sintering Technology(FAST)-Verfahren geeignet, die eine stoffschlüssige Verbindung zwischen erster Schicht 110 und zweiter Schicht 120 und gegebenenfalls der dritten Schicht 130 ermöglichen. Durch kurze Prozesszeiten wird bei einem fein-gekörnten Ausgangsmaterial verhindert, dass während der Prozessierung ein Kornwachstum stattfindet und die Schichten besonders homogen ausgebildet sind.For producing a contact piece according to the invention 100 Particularly suitable are Field Assisted Sintering Technology (FAST) methods, which provide a material bond between the first layer 110 and second layer 120 and optionally the third layer 130 enable. Short processing times prevent a finely grained starting material from undergoing grain growth during processing and making the layers particularly homogeneous.

Für die Formgebung des Kontaktstückes können ebenfalls bekannte Verfahren wie das Fräsen, Bohren oder Sägen, Stanzen, Laser-, Elektronen- oder Wasserstrahlschneiden, elektrochemisches Bearbeiten, Precision Electrochemical Machining (PEM) verwendet werden. Ebenso ist es möglich, die endkonturnahe Herstellung mittels SPS-, Sinter-, IM-Teil oder mit vergleichbaren Verfahren durchzuführen.Known methods such as milling, drilling or sawing, stamping, laser, electron or water jet cutting, electrochemical machining, Precision Electrochemical Machining (PEM) can also be used for the shaping of the contact piece. It is likewise possible to carry out the near net shape production by means of SPS, sintering, IM part or comparable methods.

Als Material für die zweite Schicht 120 sind die beschriebenen Materialien auf CuCr-Basis denkbar, ebenso aber auch Werkstoffe auf Karbid-Basis ggf. vermischt mit Kupfer und/oder Silber, wie beispielsweise Wolframkarbid-Silber (WC-AgX mit X-typischerweise bei 30 bis 50%). Wolfram kann aber auch durch ein anderes refraktives Metall wie Molybdän oder Tantal ersetzt werden.As material for the second layer 120 the materials described on CuCr basis are conceivable, as well as carbide-based materials possibly mixed with copper and / or silver, such as tungsten carbide silver (WC-AgX with X-typically at 30 to 50%). Tungsten can also be replaced by another refractive metal such as molybdenum or tantalum.

Die Funktionen „mechanische Belastbarkeit” und „Kontaktfunktionsschicht” werden durch die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe getrennt und dadurch werden Kosten gesenkt und zusätzlich die Funktion eines Kontaktstückes 100 verbessert. Dadurch ist es auch möglich, die Gesamtdicke der Kontaktstücke 100 zu verringern, ohne deren Funktionalität zu beeinträchtigen, was zu einer weiteren Verringerung der Herstellungskosten beiträgt.The functions "mechanical load capacity" and "contact function layer" are separated by the use of different materials and thereby costs are reduced and additionally the function of a contact piece 100 improved. This also makes it possible, the total thickness of the contact pieces 100 reduce without compromising their functionality, which contributes to a further reduction in manufacturing costs.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19624920 A1 [0007, 0039]

Claims

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ), wherein the contact piece ( 100 ) a first layer ( 110 ) and a second layer ( 120 ), characterized in that the first layer ( 110 ) is mechanically stable as a carrier layer, the second layer ( 120 ) has a high current conductivity (σ) and thermal capacity, and the current conductivity of the second layer ( 120 ) greater than the current conductivity of the first layer ( 110 ).

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to claim 1, wherein the current conductivity of the second layer ( 120 ) is greater than 19 · 10 ⁶ Ω ^-1 m ^-1 .

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, in which the current conductivity of the second layer ( 120 ) at least three times greater than the current conductivity of the first layer ( 110 ).

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, in which the first layer ( 110 ) consists of high-strength materials or composite materials such as ceramics, fiber-reinforced ceramics, carbides, tungsten, tantalum, steels or alloys.

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, in which the second layer ( 120 ) consists of one of the materials of CuCr20 to CuCr70.

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, in which the second layer ( 120 ) is formed between 1 to 3 mm thick.

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, which is formed substantially round as a disc.

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, in which the contact piece ( 100 ) has a substantially constant thickness d and the second layer ( 120 ) decreases in thickness from the center to the edge.

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, comprising outgoing from a center Z outwardly extending slots.

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, in which only the second layer ( 120 ) has outgoing outgoing slots from the center.

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, wherein in the center Z the first layer ( 110 ) is interrupted and for better contacting a conductive material ( 140 ) is inserted in this interruption.

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, wherein the contact piece ( 100 ) additionally a third layer ( 130 ), wherein the third layer ( 130 ) between the first layer ( 110 ) and the second layer ( 120 ) is arranged.

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, in which the third layer ( 130 ) 1 mm thick.

Contact piece ( 100 ) for a vacuum switch ( 1000 ) according to one of the preceding claims, in which for the production of the contact piece ( 100 ) a Field Assisted Sintering Technology (FAST) process such as Spark Plasma Sintering (SPS), Electro Sinter Forging (ESF), Dielectric Discharge Sintering (DDS) or Electro Resistive Welding (ERW) is used.

Electric switch ( 1000 ) comprising a first contact piece ( 100 ) and a second contact piece ( 101 ) according to one of the preceding claims, in which the first and the second contact piece ( 100 ; 101 ) each on a support bolt ( 510 ; 520 ) are mounted.

Electric switch ( 1000 ) according to claim 14, wherein the first layer ( 110 ) of the respective first and second contact piece ( 100 ; 101 ) with the respective support bolt ( 510 ; 520 ) connected is.