DE4032901A1

DE4032901A1 - Kontaktstueck fuer vakuumschalter

Info

Publication number: DE4032901A1
Application number: DE19904032901
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl Ing Reichl
Original assignee: Sachsenwerk AG
Current assignee: Schneider Electric Sachsenwerk GmbH
Priority date: 1990-10-17
Filing date: 1990-10-17
Publication date: 1992-04-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktstück für Vakuumschalter nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.

Die Unterbrechung großer Kurzschlußströme in Vakuumschaltern gelingt nur, wenn der Lichtbogen durch ein radialgerichtetes Magnetfeld als kontrahierter Bogen in Umfangsrichtung auf der Kontaktfläche bewegt wird, oder wenn er durch ein axialgerichtetes Magnetfeld auch bei den größten Augenblickswerten des Stromes an einer Kontraktion gehindert wird, also wenn er in diffusem Zustand bleibt. Um eine der genannten Möglichkeiten sicherzustellen, werden die Kontaktkörper von Vakuumschaltern üblicherweise durch Schlitzung oder durch andere Mittel der Auftrennung in einzelne Leiter unterteilt, die so vom Strom durchflossen werden, daß ein entsprechend gerichtetes Magnetfeld entsteht.

Ein gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des ersten Patentanspruchs ausgebildetes Kontaktstück ist aus der Patentschrift DE 31 50 168 C3 bekannt. Zur Unterteilung des als Gießteil gestalteten Kontaktkörpers in ein Magnetfeld generierende Leiterabschnitte sind dort Einlegeteile aus einem keramischen Werkstoff oder aus einem mit einer Keramikschicht überzogenen hochwärmebeständigen Metall vorgesehen. Dabei hat sich herausgestellt, daß die Bindekräfte an der Grenzfläche zwischen dem Gießwerkstoff und dem keramischen Werkstoff so gering sind, daß der Gießwerkstoff wegen seiner größeren Wärmedehnzahl beim Erkalten von der Keramik abschrumpft, wodurch an den Trennflächen Spalte entstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kontaktstücke der bekannten Art so zu verbessern, daß sie spaltfrei herstellbar und somit problemlos in Vakuumschaltern einsetzbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Die Lösung nutzt dabei die Erkenntnis, nach der die Werkstoffe, aus denen die Einlegeteile hergestellt sind, z. B. eine Stahllegierung oder ein keramischer Werkstoff, eine niedrigere Wärmedehnzahl besitzen als der aus sehr reinem Kupfer bestehende Gießwerkstoff. Da das Kupfer bei der Abkühlung außerdem mehr schrumpft als die Einlegeteile, entstehen an voll von Kupfer umgebenen, senkrecht zur Oberfläche der Einlegeteile gerichteten Formstücken Haftkräfte, die einem Abheben des Kupfers an den benachbarten Trennflächen der Einlegeteile entgegenwirken. Diese Wirkung wird noch durch eine Formgebung verstärkt, bei der der Gießwerkstoff eine formschlüssige Verbindung mit den Einlegeteilen oder den mit ihnen verbundenen Formstücken eingehen kann.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens enthalten.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die in folgenden Zeichnungen enthaltenen Beispiele verwiesen:

Fig. 1a Ansicht eines mit geneigten Einlegeteilen versehenen Topfkontakts,

Fig. 1b Ansicht A eines Einlegeteils mit Durchbrüchen,

Fig. 2a Ansicht eines mit Z-förmig geneigten Einlegeteilen versehenen Topfkontakts,

Fig. 2b Schnitt D-E durch ein Einlegeteil nach Fig. 2a,

Fig. 3 beispielhafte Anordnung von verschiedenen Formstücken auf einem Einlegeteil,

Fig. 4a Einlegeteil mit einschiebbarem, doppelseitig wirkendem Formstück als Bolzen,

Fig. 4b Schnitt F-G zu Fig. 4a,

Fig. 4c Langloch zur Befestigung des Formstücks,

Fig. 5 U-förmiges, doppelseitig wirkendes Formstück,

Fig. 6 Einlegeteil mit angegossenen Rippen,

Fig. 7 gebogenes Einlegeteil als doppelseitiger Schwalbenschwanz.

Die Erfindungsidee läßt sich am besten an einem Topfkontakt mit schräg gerichteten, schraubenlinienförmigen Stromleitern erklären. In Fig. 1a ist solcher Kontakt dargestellt, bei dem die ringförmige Kontaktscheibe 1 mit dem topfförmigen Kontaktkörper 2 verbunden ist. Letzterer ist durch unter dem Winkel α gegen die Kontaktfläche geneigte Einlegeteile 3a in eine Reihe von Stromleitern 17 unterteilt.

In Fig. 1b ist die Draufsicht auf ein Einlegeteil 3a angegeben. Man erkennt, daß auf der Fläche verteilt Durchbrüche 4 angegeben sind, die mit ihrer schmalen Seite "m" in Richtung des Stromes "i" ausgerichtet sind. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist es notwendig, daß die Summe der Durchbrüche 4 groß genug ist, um längs der ganzen Oberfläche eines jeden Einlegeteils 3a ein Abheben des erkalteten Gießwerkstoffes 5 der Stromleiter 17 durch die Schrumpfkräfte des in den Durchbrüchen 4 erkalteten Gießwerkstoffs 5 zu verhindern. Andererseits dürfen die Durchbrüche nicht so angeordnet sein, daß ein wesentlicher Teil des Stromes "i" durch sie hindurch von einem Stromleiter 17 zum benachbarten fließen kann und so eine Schwächung des Magnetfeldes im Kontaktspalt eintritt.

Eine andere, vorteilhafte Möglichkeit zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Kontaktes ist aus den Fig. 2a und 2b ersichtlich. Auch hier ist der topfförmige Kontaktkörper 2 durch Einlegeteile 3b in unter dem Winkel α geneigte Stromleiter 17 unterteilt. Die Einlegeteile sind dabei nach einem weiteren Merkmal der Erfindung Z-förmig ausgebildet, wobei die Durchbrüche 4 nicht in den Schenkeln 18a bzw. 18b, sondern im Steg 19 eingearbeitet sind. Unter Berücksichtigung der bei großen Kurzschlußströmen besonders ausgeprägten Stromverdrängung kann davon ausgegangen werden, daß der Hauptteil dieser Ströme am äußeren Umfang des Kontaktkörpers 2 zur Kontaktscheibe 1 fließt. Deshalb ist der innere Schenkel 18a des Einlegeteils 3b so angeordnet, daß vom äußeren Teil durch die Durchbrüche 4 fließende Streuströme durch den Schenkel 18a gezwungen werden ihre Richtung unter dem Winkel α beizubehalten. Die Anordnung des Schenkels 18a verhindert, daß die Streuströme i_a parallel zur Kontaktachse zur Kontaktscheibe 1 gelangen. Andererseits sollen die Durchbrüche 4 in Relation zur Länge "t" des Stegs 19 so bemessen sein, daß ein Abheben des Gießwerkstoffs 5 von den Oberflächen der beiden Schenkel 18a und 18b mit Sicherheit verhindert wird.

Die beiden vorab beschriebenen Beispiele der Kontaktausführung verwenden einfache und daher kostengünstig herzustellende Einlegeteile bei dem gleichzeitigen Nachteil einer Schwächung des zur Stromunterbrechung erforderlichen Magnetfeldes durch die Durchbrüche 4 durchdringende Streuströme. Bei den nun folgenden Beispielen wird dieser Nachteil vermieden. So ist in Fig. 3 das flache Einlegeteil 3 mit verschieden ausgebildeten Formstücken 6a, 6b oder 6c versehen, mit denen der Gießwerkstoff 5 Bindungen eingeht, die ebenfalls ein Abtrennen von der Oberfläche des Einlegeteils 3 verhindern sollen. Das Formstück 6a ist ein einfacher glatter Zylinder, bei dem die Haftkräfte ganz einfach durch Schrumpfung des Gießwerkstoffs 5 entstehen. Das mit Nuten 8 versehene Formstück 6b vermittelt darüber hinaus gegenüber dem Gießwerkstoff 5 außerdem noch einen Formschluß, der die Haftwirkung verstärkt. Ähnlich ist es beim Formstück 6c, bei dem ein Absatz 7 ebenfalls einen Formschluß zum Gießwerkstoff 5 vermittelt. Die genannten Formstücke können zweckmäßigerweise z. B. durch eine Hartlötung oder noch besser durch eine Stumpfschweißung mit dem Einlegeteil 3 verbunden sein. Der Gesamtquerschnitt der Formstücke muß so bemessen sein, daß deren Festigkeit ausreicht, um die durch die Schrumpfung des Gießwerkstoffs 5 in jedem Stromleiter 17 entstehenden Kräfte sicher aufnehmen zu können. Dazu ist es ferner notwendig, die Formstücke 6a, 6b oder 6c auf beiden Seiten des Einlegeteils 3 anzubringen.

Ein weiterer Vorteil kann mit der Verwendung beidseitig wirkender Formstücke erreicht werden. So zeigt Fig. 4a, 4b und 4c bolzenförmige, auf die Breite B abgeflachte Formstücke 10, die in ein Langloch 11 des Einlegeteils 3 eingeschoben und durch Drehung in der Nut 12 des Formstücks 10 fixiert werden. Über die Bemessung der Querschnitte dieser Art von Formstücken gilt dasselbe wie schon zur Fig. 3 erwähnt. Ein anderes Beispiel der beidseitig wirkenden Formstücke ist aus der Fig. 5 ersichtlich. Hier wird ein U-förmiges Formstück 9 in einen entsprechend geformten Durchbruch 14 des Einlegeteils 3 eingeschoben und z. B. durch Verschweißung oder durch Verstemmung mit demselben fixiert.

Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist in Fig. 6 dargestellt, wo das Einlegeteil als Formteil 13 mit angeformten Rippen 15 ausgebildet ist. Technologisch kommt dafür in erster Linie ein Gußstück in Frage, an das ohne Schwierigkeiten z. B. U- oder T-förmige Rippen 15 angeformt werden können. Diese bilden mit dem Gießwerkstoff 5 einen nahezu idealen Formschluß in Form einer vielfältigen Verzahnung. Die Rippen 15 lassen sich dabei in wirkungsvoller Weise ohne Schwierigkeiten beidseitig des Einlegeteils 13 anordnen. Die Rippen 15 können festigkeitstechnisch ausreichend bemessen werden.

Eine weitere Möglichkeit einer vorteilhaften Gestaltung eines Einlegeteils ist aus Fig. 7 zu ersehen. Dort wird das Einlegeteil als Biegeteil 16 gestaltet, das aus einem einfachen Blech hergestellt werden kann. Die Formgebung ist beispielsweise als doppelseitiger Schwalbenschwanz möglich, mit dem ebenfalls wie in Fig. 6 eine wirkungsvolle Verzahnung zwischen Gießwerkstoff 5 und dem Einlegeteil erzielt wird.

Bei den Einlegeteilen nach Fig. 5, 6 u. 7 wird der den Stromtransport besorgende Gießwerkstoff in Richtung der Rippen oder der Biegekanten durchgehend ausgerichtet, während er in der dazu senkrechten Richtung durch die Rippen bzw. durch die abgebogenen Kanten unterbrochen wird. Es ist daher weiterhin vorteilhaft, die Rippen bzw. die Biegekanten in Richtung des in den Stromleitern 17 fließenden Stromes "i" auszurichten. Als Werkstoff für die Einlegeteile sowie die mit ihnen verbundenen Formstücke ist vorteilhafterweise ein hochwärmefester, para- oder diamagnetischer Werkstoff mit einem großen elektrischen Widerstand vorzusehen. Nach dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse bietet sich hier z. B. eine Legierung auf der Basis von Chrom-Nickel an, wobei die einzelnen Teile entweder vor ihrem Zusammenfügen oder im zusammengefügten Zustand mit einer keramischen Beschichtung zu versehen sind. Bei entsprechend weiterentwickelter Fertigungstechnologie ist auch eine Ausbildung aus einem durchgehend keramischen Werkstoff denkbar.

Claims

1. Kontaktstück für Vakuumschalter mit einer kreis- oder ringförmigen Kontaktscheibe (1) und einem damit leitend verbundenen, aus einem hoch leitfähigen Gießwerkstoff (5) hergestellten Kontaktkörper (2), der zur Erzielung eines den Lichtbogen beeinflussenden Magnetfeldes in durch Einlegeteile aus einem schlecht leitenden Werkstoff gebildete Stromleiter (17) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung der Einlegeteile (3, 3a, 3b, 13, 15, 16) und/oder von an ihnen befestigten Formstücken (6a, 6b, 6c, 9, 10) eine gleichmäßige und allseitige Berührung zwischen dem Gießwerkstoff (5) und der Oberfläche der Einlegeteile (3, 3a, 3b, 13, 15, 16) sicherstellt.

2. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegeteile (3) Durchbrüche (4) aufweisen, die vom Gießwerkstoff (5) durchdrungen sind.

3. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (4) der im wesentlichen planen Einlegeteile (3a) jeweils ähnlicn einem Rechteck ausgebildet sind, bei dem die Schmalseite (m) in Richtung des die Stromleiter (17) durchfließenden Stromes (i) angeordnet ist.

4. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schräg zur Kontaktachse geneigten Einlegeteile (3b) wenigstens annähernd Z-förmig mit einem die beiden Schenkel (18a, 18b) verbindenden, rechteckförmige Durchbrüche (4) enthaltenden Steg (19) ausgebildet sind.

5. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (m) des Durchbruchs (4) und die Länge (t) des Stegs (19) zueinander annähernd im Verhältnis 1 : 3 bis 1 : 5 stehen.

6. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der einen jeden Stromleiter (17) auf der Innenseite des Kontaktkörpers (2) abschließende Schenkel (18a) des Einlegeteils (3b) auf der Seite des Stegs (19) angeordnet ist, auf der in Achsrichtung des Kontaktstücks gerichtete Komponenten (i_A) des Stromes (i) verhindert sind.

7. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem der Einlegeteile (3) Formstücke (6a, 6b, 6c) aus einem Werkstoff von vergleichsweise geringer Wärmedehnung verbunden sind, auf die der Gießwerkstoff (5) aufschrumpft.

8. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstücke (6b, 6c,) durch Absätze (7) oder Nuten (8) eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Gießwerkstoff (5) und dem Einlegeteil (3) sicherstellen.

9. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstücke (6a, 6b, 6c) mit dem Einlegeteil (3) durch Stumpfschweißung verbunden sind.

10. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Einlegeteile (3) Durchbrüche (4) aufweist, in denen auf beiden Seiten wirkende Formstücke (9, 10) befestigt sind.

11. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstücke (9) U-förmig ausgebildet und durch Schweißung oder Verstemmen befestigt sind.

12. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstücke (10) in geeignet ausgebildeten Durchbrüchen (11) durch Drehung befestigt sind.

13. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Formstück ein abgeflachter Zylinder (10) mit einer Nut (12), deren Durchmesser (D) der Breite (B) der Abflachung entspricht, in einem Langloch-(11)-förmigen Durchbruch (14) des Einlegeteils (3) mit einer der Breite (B) entsprechenden Schmalseite eingesetzt ist.

14. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Einlegeteile als Formteil (13) mit vorzugsweise beidseitig als Rippen (15) ausgebildeten Ansätzen ausgeführt ist.

15. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlegeteil als Gußteil (13) hergestellt ist.

16. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Einlegeteile als Biegeteil (16) aus Blech oder einem bandförmigen Halbzeug ausgeführt ist.

17. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung des Biegeteils (16) auf beiden Seiten desselben ineinander eingreifende schwalbenschwanzförmige Räume schafft, die vom Gießwerkstoff (5) ausgefüllt sind.

18. Kontaktstück für Vakuumschalter nach einem der Patentansprüche 11, 14, 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die eine vorzugsweise formschlüssige Verbindung zwischen dem Gießwerkstoff (5) und den Einlegeteilen (3, 13, 16) herstellende Kontur im Querschnitt senkrecht zur Stromflußrichtung in den durch letztere gebildeten Stromleitern (17) des Kontaktkörpers (2) verläuft.

19. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegeteile (3, 13, 16) und die gegebenenfalls mit ihnen verbundenen Formstücke (6a, 6b, 6c, 9, 10) aus einem hochwärmefesten, para- oder diamagnetischen Werkstoff mit großem elektrischem Widerstand bestehen.

20. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegeteile (3, 13, 16) und/oder die gegebenenfalls mit ihnen verbundenen Formstücke (6a, 6b, 6c, 9, 10) aus einer Chrom-Nickel enthaltenden Legierung angefertigt sind.

21. Kontaktstück für Vakuumschalter nach Patentanspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegeteile (3, 13, 16) und die gegebenenfalls mit ihnen verbundenen Formstücke (6a, 6b, 6c, 9, 10) mit einer keramischen Beschichtung versehen sind.