DE1282768B - Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem elektrischen Leistungsschalter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIh

¹ Deutsche KL: 21 c - 35/05

P 12 82 768.8-34 (G 39149)

12. November 1963

14. November 1968

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem elektrischen Leistungsschalter, insbesondere für Vakuumleistungsschalter, bei dem wenigstens ein Kontakt an einem Ende eines leitenden Stabes befestigt ist, der an diesem Ende durch Schlitzung als Spule ausgebildet ist.

Aus der deutschen Patentschrift 646 031 ist es bekannt, den beweglichen Schalterkontakt als Hohlzylinder auszubilden und mit einem schraubenlinienförmig auf dem Mantel dieses Hohlzylinders verlaufenden Schlitz zu versehen. Dieser Schlitz bewirkt, daß der durch den beweglichen Kontakt fließende Strom schraubenlinienförmig wie in einer Spule um dessen Längsachse herumgeführt wird. Dadurch wird ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Feldlinien innerhalb dieses Teiles des Kontaktes etwa parallel zur Längsachse verlaufen. Der Innendurchmesser des beweglichen Kontaktes verringert sich zwischen der als Spule ausgebildeten Wand und dem offenen Kontaktende zu diesem Kontaktende hin. Im geschlossenen Zustand des Schalters ragt in dieses offene Kontaktende das sich verjüngende Kontaktende des ruhenden Kontaktes, wobei sich beide Kontakte an der Stelle des kleinsten Innendurchmessers des offenen Kontaktendes berühren.

Beim öffnen dieses Schalters wird der zwischen den Kontakten entstehende Lichtbogen durch das innere Magnetfeld der Spule um die Längsachse herum und durch sein eigenes Magnetfeld in Richtung der Längsachse bewegt. Dadurch wird verhindert, daß der Lichtbogen längere Zeit an derselben Stelle brennt und die Kontaktoberflächen beschädigt.

Dieser Schalterkontakt hat eine verhältnismäßig komplizierte Form, die sich fertigungstechnisch nur schwer herstellen läßt, weil er hohl und innen konisch ausgebildet ist und zum Ausschneiden des schraubenlinienförmigen Schlitzes eine verhältnismäßig komplizierte Maschine erforderlich ist. Zudem ist auch die mechanische Festigkeit dieses Schalterkontaktes wegen der hohlen Spulenform nicht ausreichend. Wenn nämlich ein starker Strom durch die Spule fließt, greifen starke Magnetkräfte an den Windungen der Spule an. Diese Magnetkräfte nehmen quadratisch mit der Stromstärke zu, so daß die Gefahr besteht, daß der Kontakt deformiert wird. Hinzu kommt, daß bei der Verwendung des Kontaktes in Vakuumschaltern der Vakuumschalter längere Zeit unter hoher Temperatur ausgeheizt werden muß, um die Teile zu entgasen. Durch dieses Ausheizen wird die mechanische Festigkeit der Spule weiter verringert.

Die gleichen Schwierigkeiten ergeben sich bei den

Spulenanordnung zur Erzeugung eines
Magnetfeldes in einem elektrischen
Leistungsschalter

Anmelder: .

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

. Vertreter: ,

■ Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
, 6000 Frankfurt 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Joseph William Porter, Media, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 14. November 1962
(237532)

ebenfalls spulenförmig ausgebildeten Schalterkontakten nach der deutschen Patentschrift 398 478, bei der die spulenförmige.· Ausbildung der Kontakte den Zweck hat, ein Feld zu erzeugen, das den elektrodynamischen und thermischen Abstoßungskräften, entgegenwirkt, die bei hohen Momentanstromstärken, insbesondere bei Kurzschlüssen, auftreten und die Kontakte des Hochstromschalters zu trennen trachten. Diese Magnetspulen und ihre Felder haben jedoch nicht den Zweck, die Löschung des beim Trennen der Schalterkontakte entstehenden Lichtbogens zu unterstützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Leistungsschalter, insbesondere für einen Vakuumschalter, eine Spulenanordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine große mechanische Festigkeit aufweist, einfach herzustellen ist und einen geringen Einbauraum beansprucht.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stab massiv ist und daß die Spule, durch mehrere dicht nebeneinander angebrachte parallele Schlitze gebildet ist, daß die Schlitze sich senkrecht zur Achse des leitenden Stabes über einen großen Bereich des Stabquerschnittes derart erstrekken, daß ein Teil des Stabes neben jedem Schlitz unversehrt bleibt, und daß aufeinanderfolgende un-

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Versehrte Teile des Stabes derart gegeneinander ver- die Vertikalbewegungen des Stabes zuläßt, ohne das setzt sind, daß der Strom in einer Schraubenlinien- Vakuum im Innern der Umhüllung 11 zu verschlechförmigen Bahn verläuft. tern. In Fig. 1 ist die Druckdose luftdicht mit der

Diese Ausbildung der Elektrode hat den Vorteil, Abschlußkappe 14 _:,und dem Stab 22 an den gegendaß in die Schlitze Einsätze aus schlecht leitendem 5 überliegenden Seiten verbunden.
Werkstoff eingepaßt .werden können, ,die der Elek- Der Schalter in Fig. 1 ist geöffnet dargestellt, wo-

trode eine größere Festigkeit geben. Zudem ist die bei die Kontakte 17 und 18 voneinander getrennt Herstellung der Schütze verhältnismäßig einfach, da sind. Er wird dadurch geschlossen, daß der bewegsie praktisch senkrecht zur Längsachse des Stabes liehe Kontakt 18 nach oben geschoben wird, so daß verlaufen. Wenn ein Strom durch den Schalter fließt, io er den festen Kontakt 17 berührt. Das Öffnen geschließen sich die aus dem am Ende des Stabes an- schieht durch Bewegung des Kontaktes 18 aus der gebrachten Kontakt austretenden magnetischen Feld- Stellung, in der er berührt wird (nicht dargestellt), in linien außen durch die Luft und verlaufen dabei teil- die Stellung nach F ig. 1. Wenn der bewegliche Konweise parallel zu den quer zur Elektrodenlängsächse "takt 18 während des Öffnens nach unten geschoben verlaufenden Kontaktoberflächen, treiben den beim 15 wird, bildet sich zwischen den Kontakten 17 und 18 Öffnen des Schalters zwischen den .sich gegenüber- ein Lichtbogen 30. Um diesen Lichtbogen zu löschen, stehenden Kontaktflächen dieser Elektrode und der befindet sich hinter dem Kontakt 17 eine Spulen-Gegenelektrode entstehenden Lichtbogen um die anordnung 34,, die ein radiales Magnetfeld 36 in dem Längsachse des Stabes herum, und gleichzeitig wird Spalt zwischen den beiden Kontakten erzeugt. Dieses der Lichtbogen durch sein eigenes Magnetfeld nach 20 radiale Magnetfeld wirkt in bekannter Weise so, daß außen getrieben. 'es den Lichtbogen auf dem Umfang der scheihen-

Zusammengenommen ergibt jsich nicht nur eine förmigen Kontakte Γ7 und 18 herumbewegt, wodurch stabile, leicht herzustellende Elektrode, sondern es das Ausbrennen durch den Lichtbogen vermindert gleichzeitig wird auch der Lichtbogen in an sich be- und eine Unterbrechung des Stromes erleichtert,
kannter Weise in Bewegung gehalten. a§ Hinter dembeweglicheiji Kontakt 18 kann eine \zu-

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen "'' sätzliche Spulenanordnung 38 angebracht sein, die ein von Ausführungsbeispieien näher beschrieben. zusätzliches radiales Magnetfeld 40 erzeugt, das das

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Vakuum- Magnetfeld 36 ergänzt. Die beiden Magnetfelder sind schalter mit zwei erfindungsgemäß ausgebildeten einander entgegengerichtet, so daß sie sich in dem Elektroden; ... 30 Spalt eher ergänzen als einander aufheben. Damit in

Fi g. 2 zeigt Schnitte, die längs der Linien a-a, b-b, ' den Kontakten 17 und 18 keine Wirbelströme von c-cM&äd-din Fig. 1 geführt sind; "~~ " solcher Größe entstehen können, daß sie die Magnet-

Fig. 3 zeigt die Sehnittansicht3-3 der in Fig. 4 feider 36 und 40 aufheben, besitzt jeder dieser Kongezeigten Elektrode; '"; ^: takte 17 und 18 einen radial verlaufenden Schlitz

Fig, 4 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer 35 (nicht dargestellt).

Elektrode des Schalters nach Fig. 1; ' ' Die bisher zu diesem Zweck vorgeschlagenen Spu-

F i g. 5 zeigt ein ,anderes Ausführungsbeispiel der lenanordnungen wurden in der Hauptsache aus einem

Erfindung. ... spiralförmig zu einer Spule gewickelten und in Reihe

In Fi g. 1 ist ein Vakuumleistungsschalter mit einer init den Kontakten geschalteten Leiter hergestellt. Da hoch evakuierten Umhüllung 11 dargestellt/Diese 40 der zu unterbrechende Strom sehr hohe Werte anUmhüllung 11 besteht aus,einem röhrenförmigen Ge- .'"' nehmen kann und durch die Spule hindurchfließen häuse 12 aus.Glas oder ,anderen.geeigneten isolieren- muß, sind die in bekannten Spulen verwendeten Leiden Werkstoffen und zwei Abschlußkappen 13 und ter notwendigerweise sehr dick. Dies führt zu sehwe- 14, die an den gegenüberliegenden Enden des röhren- ren Spulenanordnungen₃,;die einen unzulässigen Raum förmigen Gehäuses 12 angebracht und .mit dem roh- 45 in; der Hülle einnehmen, Außerdem ist es notwendigj renförmigen Gehäuse durch eine geeignete vakuum- " diese bekannten Spulen mit besonderen Verstärkundichte Dichtung 15 verbunden sind.. Ein bekannter gen zu versehen, damit sie den hohen Magnetkräften röhrenförmiger Schirm 16 schützt. die Dichtungs- standhalten. Diese Verstärkungen kommen nachteilig wände des röhrenförmigen Gehäuses 12 davor, von zu den Kosten und der .Größe der Spüle hinzu. ■_

Metalldampf, der sich darauf niederschlägt, beschä- 50 * Es wurde eine Spulenanordnung entwickelt, die die digtzu werden. ' . . . .. .'. '' vorher erwähnten Schwierigkeiten beseitigt. Diese

'ϊη -dpi. luftleeren Umhüllung 11 befinden sich zwei Spulenanordnung enthält eine Reihe von querverrelativ bewegliche scheibenförmige Kontakte 17 und laufenden Schlitzen 50, die sich in jedem Stab neben 18, Der obere Kontakt 17 ist fest und wird von der dem daran befestigten Kontakt befinden. F i g. 2 zeigt oberen Äbschlußkappe 13 über einen Stab 20 aus gut 55 die Anordnung dieser ScMitze, wie sie in einer Reihe leitendem Werkstoff, wie z. B, Kupfer, gehalten. Der * von ,Schnitten durch die. querverlaufenden Ebenen Stab 20 ist an seinem oberen Ende /mit der oberen a-a, b-b, c-c und d-d in F i g, 1 erscheinen, InF.ig. 2 Äbscnlußkappe 13 und an seinem unteren Ende mit sieht man, daß jeder querverlaufende Schlitz 50 nur dem scheibenförmigen Kontakt 17, vorzugsweise teilweise durch den Stab 20 hindurchgeht und so durch Verlöten, verbunden. . 60 einen Teil 52. des Stabes an der Innenseite des Schlit-

■ !"Der untere Kontakt 18 ist beweglich und ist am '"^v zes in einem Gebiet, das in der Ebene des Schlitzes Oberen Ende eines, in Längsrichtung beweglichen liegt, unversehrt läßt. Wenn man die aufeinander-Kontäktbetätigungsstabes 22 befestigt. Dieser Kon- folgenden Schnitte h-b, c-c und d-d nach unten vertäktbetätigungsstab besteht auch aus gut leitendem folgt, dann bemerkt man, daß die unversehrten Werkstoff, wie z. B'. Kupfer. Der Kontaktbetatigungs- 65 Teile 52 winkelrnaßig jeweils in derselben Winkelstab. 22 ragt durch, eine Öffnung in der unteren Ab- ' richtung gegenüber dem unversehrten Teil des direkt schlußkappe. 14, und eine biegsame, metallische; vorangehenden Schnittes verschoben sind. Die Strom-Druckdose 24 bildet eine Dichtung ixtnden Stab 22j bahn' durch die Spule 34 geht stufenweise am Umfang

des Stabes herum, wenn der Strom in Längsrichtung des Stabes fließt, und der Strom verfolgt damit im wesentlichen eine schraubenlinienförmige Bahn. In den Schnitten a-a bis d-d in F i g. 2 wird die Strombahn stufenweise im Gegenuhrzeigersinn um etwa 360° auf dem Stabumfang versetzt, wodurch etwa eine Windung der Spule entsteht.

Der Stab 20 ist im wesentlichen in querverlaufenden Ebenen, die sich zwischen den in F i g. 2 dargestellten Ebenen befinden, vollständig unversehrt. Durch diese vollständig unversehrten kreisförmigen Abschnitte fließt der Strom zwischen winkelmäßig versetzten Teilen 52 auf sich axial gegenüberliegenden Seiten der vollständig unversehrten kreisförmigen Abschnitte im wesentlichen auf dem Umfang des Stabes. In Fig. 3 ist beispielsweise ein unversehrter kreisförmiger Abschnitt zwischen den beiden Teilen 52 dargestellt, die sich am Boden und auf der rechten Seite des Stabes 20 befinden. Über diesen kreisförmigen Abschnitt fließt der Strom am Umfang des Stabes zwischen diesen winkelmäßig verschobenen unversehrten Teilen 52 hindurch. Der Strom wird sich jedoch in dem Gebiet des Stabes, das den beiden unversehrten Teilen 52 am nächsten liegt, konzentrieren, wie es durch die gestrichelten Linien 53 in F i g. 3 angedeutet ist, wodurch eine überwiegend am Umfang entlangführende Strombahn eingehalten wird.

Um di& mechanische Festigkeit des Stabes 20 trotz der Schlitze 50 aufrechtzuerhalten, wird ein scheibenförmiger Einsatz 60 in jeden Schlitz eingeführt, der denselben Querschnitt wie der Schlitz hat. Diese Einsätze 60 werden aus schlecht leitendem Werkstoff, z. B. rostfreiem Stahl, hergestellt, und jeder wird an seinen gegenüberliegenden Oberflächen mit der benachbarten Wand des Schlitzes verlötet. Man sieht dies am besten in der vergrößerten Ansicht nach F i g. 4, worin der Einsatz 60 entlang seinen Oberflächen 62 mit den benachbarten Wänden des Schlitzes verlötet dargestellt ist. Die Einsätze 60 verhindern, daß die Schlitze bei sehr großen Druckkräften, die auf den Stab wirken, zusammengedrückt werden; die Lötstellen 62 verhindern, daß die Schlitze bei irgendwelchen großen Zugkräften, die auf den Stab wirken können, ausgeweitet werden.

Man sieht, daß die Spulenanordnung 34 das Volumen oder die Masse der Teile, die sonst in dem Leistungsschalter vorhanden sind, wenig oder gar nicht vergrößert. Die Einsätze 60 werden im wesentlichen von dem Außenumfang des Stabes 20 begrenzt und sind nicht merklich schwerer als die Teile des Stabes, die entfernt wurden, um die Einsätze aufzunehmen.

Die untere Spulenanordnung 38 ist im wesentlichen auf dieselbe Art wie die obere Spulenanordnung 34 hergestellt; nur ist sie in entgegengesetzter Richtung wie die obere Spulenanordnung gewickelt, d. h. im Uhrzeigersinn, da der Strom durch die Spulenanordnung 38 nach unten fließt. Dieser entgegengesetzte Wicklungssinn der beiden Spulenanordnungen ergibt einander entgegengerichtete Magnetfelder, die sich in dem Zwischenraum zwischen den beiden Kontakten ergänzen.

Obgleich diese Spulenanordnung besonders zur Verwendung in Vakuumleistungsschaltern geeignet ist, kann sie auch mit Vorteil bei anderen Anwendungsgebieten verwendet werden, wo man eine dichte, mechanisch feste Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes haben will.

Der Querschnitt des Stabes und der Einsätze kann verändert werden, ohne daß man vom Ziel der Erfindung abweicht. Beispielsweise kann der Stab 20 wie in F i g. 5 im Querschnitt rechteckig sein, wobei die unversehrten Teile 52 an den Ecken des Stabes liegen und der übrige Querschnitt des Stabes von einem querverlaufenden Schlitz 50 eingenommen wird, in den der Einsatz 60 eingepaßt ist. Fig. 5 entspricht dem Schnitt d-d in Fig. 2. In aufeinanderfolgenden Schnitten längs des Stabes nach F i g. 5 würden die unversehrten Stellen 52 an verschiedenen Ecken stufenweise entlang dem Umfang des Stabes erscheinen, ähnlich wie es in F i g. 2 dargestellt ist.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem elektrischen Leistungsschalter,, insbesondere für Vakuumleistungsschalter, bei dem wenigstens ein Kontakt an einem Ende eines leitenden Stabes befestigt ist, der an diesem Ende durch Schlitzung als Spule ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (20) massiv ist und daß die Spule (34) durch mehrere dicht nebeneinander angebrachte parallele Schlitze (50) gebildet ist, daß die Schlitze (50) sich senkrecht zur Achse des leitenden Stabes (20) über einen großen Bereich des Stabquerschnittes derart erstrecken, daß ein Teil (52) des Stabes neben jedem Schlitz unversehrt bleibt, und daß aufeinanderfolgende unversehrte Teile (52) des Stabes derart gegeneinander versetzt sind, daß der Strom in einer schraubenlinienförmigen Bahn verläuft.

2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (60) aus schlecht leitendem Werkstoff in die Schlitze (50) eingepaßt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 398 478, 646 031.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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