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Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung fiir Vakuumschalter zur
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Erzeugung eines axialen Magnetfeldes gemäß Oberbegriff des Anspruelles
1.
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Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus de r l)eulscllell Patentschrift
2 443 141 bekannt. Deren Magnetspule ist in anlwendiger Weise aus mehrere Leiterabschnitten
gebildet. Ferner enthält sie eine geschlitzt e Kontakiplatie was deren mechanische
Stabilität und die Homogenität des elektrischen Feldes beeinträchtigt und lohnintensive
spanabhehende Bearbeitungsgänge erforderlich macht. Außerdem können die Schlitze
infolge von Schaltvorgängen durch Kontaktmaterial leitend überbrückt und damit unwirksam
werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kontaktanordnung auf
zu zeigen, die sich von den bekannten nicht nur u unterscheidet, sondern deren Herstellung
in kostengünstiger Weise möglich ist, wobei besondere Aufmerksamkeit auf eine Kontaktplatte
und eine Magnetspule gelegt ist, die beide einfach, stabil und dennoch wirksum sind.
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Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben.
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Die Anwendung eines axialen Magnetfeldes in Vakuumschaltern führt
bekanntermaßen dazu, daß der diffuse Vakuumlichtbogen erst bei größeren St ro maugenblickswe
rt en oder überhaupt nicht in len kont rah ie rten Licht bogen mit Anodenfußpunkt
übergeht. Ohne axiales Magnetfeld liegt dieser (ibergang bei etwa 5 bis 20 kA Augenblickswert.
l- heißt, axiale Magnetfelder sind vorteilhaft bei Vakuum-l eistungsscll lltern
mit hohen Kurzschluß-Ausschaltströmen (ab etwa 25 kA). [)ie Vorteile des diffusen
Lichtbogens gegenüber dem rotierenden kontrahierten Lichtbogen, der beispielsweise
durch Kontakte mit spiralförmigen Schlitzen entsteht, sind folgende: Ceringere Wärmeentwicklung
des Lichtbogen infolge wesentlich kleinerer
Lichtbogenspannung (etwa
30 V im Vergleich zii etwa 200 V); dadurch viel weniger Metalldampfbildung und Kontakterosion.
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Daraus folgt eine längere Lebensdauer der Vakuulrl-Schaltkammer (höhere
Anzahl der Kurzschlußausschaltungen) und/oder eine geringere erforderliche Schichtdicke
des Kontakt materials (ler Kontaktplatte.
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Höheres Ausschaltvermögen bei gleichem Kontaktdurchmesser und geringerer
Abstand der Schirme vom Kontaktplattenrand; dadur schlankere Schaltkammern, kleinerer
Keramikdurchmesser und insgesamt geringere Herstellkosten Glatte Kontaktplattenoberfläche,
auch nach vielen Kurzschlußausschaltungen, <lt keine Kraterbildung und Bildung
von Metallstaub durch Anodenflecke; dadurch gleichbleibend hohe Spannungsfestigkeit
(wichtig besonders bei Schaltern für Betriebsspannungen ab etwa 36 kV).
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Die e Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispiel len näher erläutert
we den.
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(,emäß Fig. 1 wird die Kontaktanordnung aus dciii beweglichen bzw.
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festen Kontaktstab 1 gebildet. Die komplette Kontaktanordnung besteht
im allgemeinen aus zwei gleichen derartigen K(.nlaktstücken, die hintereinander
auf der gerneinsamen Längsachse liegeii. Diese Anordnung befindet sich in einem
evakuierten Gehäuse untl bildet damit die Sclialtkammer eines Vakuumschaltens.
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Der Kontaktstab 1 trägt ein vorzugsweise kreistundes Leiterelement
2, aus dem , wie später erläutert wird (Figur 3 bi 7), die die Magnetspule bildenen
Teilspulen in Form von unterschiedlich gestalteten St eg armen 3 herausgearbeitet
sind.
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Letztere sind in Richtung auf die Kontaktplatte 4 hochgebogen und
mit dieser an Lötecken 5 kontaktiert. Kin Stahlring ( zur Einschnürung des Stromes
in der Kontaktstabmitte und zur mechanischen Verstärkung
des Leiterelementes
2 ist in einer Ausnehmung im oberen Rand des Kontaktstabes 1 eingesetzt. Zwischen
der Basis des Leiterelementes 2 und der Kontaktplatte 4 ist eine Dinstanzscli"i!ie
6a aus Stahl zur Verstärkung der Kontaktplatte 4 eingesetzt. Die zeile 6 unrl 6a
können auch aus einem anderen schlecht leitenden Material hergestellt weiden.
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Der Strom fließt in der angenomrnenen Pfeilrichtung vom Kontaktstali
1 in die Basis des Leiterelementes 2 und von doit in die die Magnetspule bildenden
Stegarme 3 in Umfangrielitung und twilì an den Lötecken 5 in die Kontaktplatte 4
über.
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Damit der Strom in den Kontakt platten überwiegend in Wickelrichtung
der darunter liegenden Spulen umfänglich fortgeführt wird, ist eine besondere Ausbildung
der Kontaktplatte erforderli.>ll. In einer einfachen pl anparallenen Kontaktplatte
würde der St roiii 10: nilich teilweise in Umfangsrichtung zurückfließen, entsprechende
Wirbelströme bilden und desbalb das axiale Magnetfeld zu sehr schwächen. Die Kontaktplatte
4 ist in Fig- 2, die eine Draufsicht zeigt, näher dargestellt. In Anschluß an die
Lötecken 5, an denen die Stegarme 3 (Teilspulen) der Maguelspule festgemacht sind,
ist jeweils in Umfangsrichtung eine streifenförmige Materialverstärkung aus gut
leitendem Material an der Kontaktpl.-lll aus beispielsweise Kupfer-Chrom vorgesehen.
Im Falle des Ausführungsbeispiels sind dies 6 mrn dicke Leiterstege 7, die an die
unteseite der 2 mm starken Kontaktplatte 4, die 60 mm Durchmesser hat, aufgelötet
sind. Der Strom wird sodann überwiegend der Zone besserer Leitfähigkeit folgen und
in Pfeilrichtung fließen, bis er senkrecht dasu u über die über die Kontaktplatte
verteilten diffusen Lichtbögen in clie darüber befindliche Kontaktplatte eintritt.
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Die Leiterstege 7 haben zweckmäßigerweise eine Form, wie in Fig. 2
ungefähr gezeichnet, um einerseits eine moglichs gleichmäßige Verteilung der Lichtbogenfußpunkte
auf die Kontakiplatte zu erreichen und andererseits ein Zurückfließen des Stromes
in der Kontaktplatte (entgegen der Stromrichtung in der Spule) weilllehend zu vermeiden.
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Der Leitfähigkeitsunterschied zwischen dem Kkupfer-Ghrom der Kontaktplatte
und dem Kupfer der Leiterstege wirkt ebenfalls in diesem Sinne vorteilhaft. Anstelle
von Kupfer-Chrom können auch andere Kontaktmaterialien verwendet werden, die vor
allem unter dem Gesichtspunkt geringer Chopping-Ströme ausgewählt werden, um Schaltüberspannungen
klein zu halten. Hierl)ei wirkt ein Zusatz von Antimon günstig, das schon bei niedrigen
lemperaturen verdampft und besonders bei der Anwendung axialer Magnetfelder vorteilhaft
ist, da in diesem Fall kein zu starkes Verdampfen dieser Materialkomponente durch
einen A nodenfußpunki auftreten kann.
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[ie Zonen höh-erer Leitfähigkeit können auch lurch Querschnitts verstarkungen
an der Kontaktplatte 4 aus einen Stück, z. 13. durch Cießen oder Fräsen,gebildet
werden.
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Imine Ausführungsform der Magnetspule geht aus l ig. 3 hervor.
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Ausgangsmaterial ist eine Kupferscheibe (Leiterclement 2) von beispielsweise
60 mm Durchmesser und 6 mm Stä,-l;e. In dieser Scheibe wcrden in der gezeigten Form
Schlitze 8 gefräst, was mit modernen NC-gesteuerten Werkzeugmaschinen automatisch
möglich ist.
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Das geschlitzte Leiterelement wird an den vier Ecken 5 beispielsweise
um 5 mm hochgebogen. Das Hochbiegen der Ecken ist einfach dadurch möglich, daß an
den Ecken entsprechende Unterlegstücke angeordnet werden und dann die Scheibe im
Zciii rum nach unten gedrückt wird. Die vier Ecken werden zur Vorbereitung der späteren
Verlötung mit der darüber angeordneten kontaktplatte auf einer ebenen Unterlage
plangeschliffen. Vor dem SchI<'ifen ist es zweckmäßig, die Ecken etwas umzubiegen,
damit niclii zu viel Material abgeschliffen werden muß.
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lurch die Schlitzung des Leiterelernentes 2 koiiii)it es zu einer
Strombahn, wie skizziert, in allen vier Teilspulen. In dem gezeichne en Beispiel
sind vier gleichartige Schlitzanordnungen am l Umfang
gleichmäßig
verteilt. Dadurch kommt es zu einer Aufteijurig des Strcornes in vier gleiche Teile,
die zunächst in radialer Richtung untl dann an Umfang in einem Drehwinkel von fast
je 900 in gleicher Umfangsrichtung fließen (siehe Pfeile).
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Die gezeichneten, zusätzlich möglichen Schlitze 8a bewirken, daß die
Strombahn am Umfang weit außen verläuft, um ein axiales Magnetfeld möglichst auf
der ganzen Kontaktfläche zu erzeugen.
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Das Kupfermaterial zwischen den radialen Schlitzen, das für den Stromfluß
eigentlich nicht erforderlich ist, soll jedoch stehenbleiben utid nicht weggefräst
werden, da dieses Material als absi rillender Kühlkörper für die-Stromwärme dient.
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Die in Fig. 3 gezeichnete Schlitzung in vier gleichartige, elektrisch
parallel liegende Spulenbereiche (Stegarme 3) ii voraussichtlich die optimale Lösung.
Allgemein ist es jedoch möglich, eine beliebige Anzahl von Bereichen am Umfang zu
verteilen, z.B. einen Schlitz mit fast 3600 Drehwinkel des Stromflusses, zwei Schlitze
mit last 1800, drei Schlitze mit fast 1200, vier Schlitze mit fast 90°, fünf Schlitze
mit fast 720 und so fort.
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Eine andere, einfachere Form der Spule, bei der ziir herstellung der
Schlitze nur eine Säge erforderlich ist, geht alls Fig. 4 hervor. Es werden gerade
Schlitze in der gezeichneten segmentartigen Anordnung von außen nach innen gesägt.
Hierdurch wird, gemäß den eingezeichneten Pfeilen eine zunächst ungefähr radial
nach außen geri<'liiele und dann in Uiiifangsrichtung verlaufende Strombahn etzwungen.
Das Hochbiegen der Lötecken 5 kann hier ebenso erfolgen wie bei der Spule nach Fig.
3.
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Eine weitere Formgebung der Spule, bei der nil einfache Werkzeugmaschinen
benötigt werden, ist in Fig. 5 angegeben. Die ungefähr
radial verlaufenden
Schlitze werden von außen nach imiden gesägt.
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Die Löcher 9 werden gebohrt. Anstelle je eines großen Loches können
auch jeweils mehrere kleinere Löcher 10 nebeneinander angeordnet werden, um eine
zunächst radial n:lrll außen verlaufende St rom bahn und anschließend eine Strombahn
in Umfangsrichtung zu erreichen (Fig. 6).
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Die Herstellung der Spule nach Fig. 3 bis Fig. 6 kann auf automatischen
Werkzeugmaschinen auch durch Stanzen erfolgen. Mit entsprechenden Werkzeugen kann
hierbei auch das hochbiegen der Ecken vorgenommen werden. Beim Stanzen können dic
Schlitze in beliebiger Kurvenform ausgeführt werden, um einerseits ein starkes axiales
Magnetfeld zu erzeugen und andererseits Kühlfl:jchen zu bilden, die nicht vom Strom
durchflossen werden und die Sttomwärme abstrahlen.
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Ein solches Beispiel zeigt Fig. 7. Rei den hier gezeichneten spiralförniigen
Stegarmen 3 fließt der Strom nicht bis iim äußeren Rand nur in radialer und dann
in Umfangsrichtung, sonde in beide Richtungen gehen stetig ineinander über und die
lJinfangsrichtung erstreckt sich auf einen Drehwinkel von mehr als 900.
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Grundsätzlich kann die Magnetspule in den gewünsdten Formen nach Fig.
3 bis 7 oder in ähnlichen Formen aus Kupfer oder anderen Leiterwerkstoffen auch
gegossen werden.
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Von den beiden Kontaktstücken eines Schalterpols kann entweder nur
ein Kontaktstück erfindungsgemäß ausgefüllrt sein, und das andere nur aus einer
Kontaktplatte ohne Spule bestehen, oder wirksamer werden beide Kontaktstücke erfindungsgemäß
ausgeführt Bei der 1 herstellung der beiden Kontaktstücke in der erfindungsgemäßen
Form sind die beiden Magnetspulen und die beiden Kontaktplatten für das obere und
das untere Kontaktstück völlig identisch. l)er Strom fließt dann in den Spulen und
in den Kontaktplatten beider Kontaktstücke in der gleichen Umfangsrichtung.
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Bei den oben beispielhaft angegebenen Abmessungen der Spulen und Kontaktplatten
und im übrigen optimalen Leiten der Schaltkamm er und des Antriebs können Kurzschluß-Ausschaltströme
bis etwa 40 kA beherrscht werden.
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Im wesentlichen durch Vergrößerung des Durchmessers der Kontaktstücke
kann das Ausschaltvermögen erforderüchenfalls erhöht werden.
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