DE4119191C2 - Kontaktanordnung für eine Vakuumschaltkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1.

Übliche Kontaktanordnungen sind z. B. aus der DE 29 34 341 C2 bekannt geworden. Deren scheibenförmige Kontaktstücke besitzen eine innere ringförmige Nennstromkon­ taktfläche sowie einen nach außen hin abfallenden konischen Lichtbogenlaufabschnitt. Die Schlitze liegen offen und sind bis zur Peripherie des Kontaktstückes geführt. Der Schaltlichtbogen wird an der Nennstromkontaktfläche gezündet und wandert nach au­ ßen. Durch ein auf ihn wirkendes Radialmagnetfeld wird er in tangentialer Richtung in Rotation versetzt.

Diese Ausbildung hat Nachteile. Das Überspringen der Schlitze bereitet dem Lichtbo­ gen mitunter Schwierigkeiten. Verharrt der Bogen an den Schlitzkanten, werden diese unnötig aufgeheizt und angeschmolzen. Bei größeren Abschaltströmen werden die Schlitze ohnehin mehr oder weniger von der Metallschmelze, auf die die dynamischen Kräfte des Lichtbogens wirken, zugesetzt; die Magnetwirkung der Kontaktanordnung nimmt dabei ab. Hinzu kommt, daß der Bogen, der auf der innenliegenden, ringförmi­ gen Nennstromkontaktfläche gezündet wird, das Bestreben hat, auf einem kleineren als dem maximalen äußeren Kreisbogen umzulaufen. Dies führt zu einer unvollständigen Ausnutzung der Kontaktfläche und kann ein vermindertes Stromabschaltvermögen zur Folge haben.

Aus der EP 0 042 152 A1 ist eine Kontaktanordnung der eingangs genannten Art be­ kannt geworden, deren Kontaktstücke ein Basiskontaktstück und einen darauf aufge­ setzten Lichtbogenlaufring besitzen, deren Außendurchmesser gleich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannte Kontaktanordnung so zu ertüchti­ gen, daß deren Stromabschaltvermögen sowie das dielektrische Verhalten verbessert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1.

Erfindungsgemäß also ist die Außenkante der Ringlauffläche wulstförmig und überragt im Durchmesser das übrige Kontaktstück. Der Laufring ist dabei an der Kontaktscheibe zentriert.

Dadurch, daß der Laufring im Durchmesser etwas größer als die Kontaktscheibe und seine außenliegende Kante wulstförmig bzw. verrundet ausgeführt sind, wird die di­ elektrische Festigkeit erhöht.

In zweckmäßiger Weise wird der am äußeren Umfang der Kontaktscheibe aufliegende Laufring damit verlötet und zur Zentrierung des Laufringes kann der Laufring in eine Zentriereindrehung am äußeren Umfang der Kontaktscheibe eingreifen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch eine erhabene Ringlauffläche in Form eines Kranzes für den Laufsteg vorhanden sein; letzterer kann dann mit einem am Innendurchmesser angesetzten Zentrierstutzen, der in die durch die erhabene Ringlauffläche gebildete Kontaktstückmulde ragt, versehen sein.

Darüber hinaus können auch an der Kontaktscheibe elektrisch schlecht- bzw. nichtlei­ tende Stützelemente untergebaut sein.

Das Stützelement kann dabei von einer Platte bzw. Scheibe gebildet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zwischen der Kontaktscheibe und der Platte im Bereich des Umfangskreises des Laufringes ein Tragring angeordnet sein.

Darüber hinaus können zwischen Kontaktscheibe und Platte im Bereich des Umfangs­ kreises des Laufringes einzelne Auflagestützen, beispielsweise in Form von Sicken in der Platte, angeordnet sein.

Bei der vorliegenden Kontaktanordnung zündet der Schaltlichtbogen an der am äuße­ ren Umfang angeordneten, erhabenen Ringlauffläche, die gleichzeitig die Nennstrom­ kontaktfläche darstellt. Hierbei werden sofort die größtmöglichen magnetischen Kräfte zur Beschleunigung des Lichtbogens genutzt. Ein Zusetzen der Schlitze durch den Lichtbogen wird vermieden. Schließlich liegen die unabgedeckten Schlitze des Kon­ taktstückes nicht mehr im Bereich der höchsten elektrischen Feldstärke; dadurch sind Rückzündungen, die durch dielektrische Überschläge von an den Schlitzen vorhande­ nen Bearbeitungsgraten eingeleitet werden könnten, weitestgehend ausgeschlossen.

Durch die Einführung des Laufringes bei einer Spiralkontaktanordnung wird ein im Ganzen vergleichmäßigtes Laufverhalten des Lichtbogens erzielt und es kann die übli­ cherweise mögliche Anzahl von Abschaltungen mit ein und derselben Kammer noch einmal gesteigert werden. Dies setzt auch voraus, daß die gesamte, dem Gegenkon­ taktstück zugewandte Kontaktstückoberfläche, die der Lichtbogen aufsuchen kann, mit dem Stromabschaltvermögen besonders zuträglichen Material bedeckt ist.

Fertigungstechnisch ist es von Vorteil, den Schlitz J-förmig und den Bogen als Kreis­ bogen auszuführen, wobei sich der geradlinige Abschnitt dann tangential an das Ende des Kreisbogens anschließt.

Bei ausreichend großem Durchmesser der Kontaktstücke brauchen die Schlitze nur bis an den Laufring herangeführt werden. Hingegen ist es bei kleineren Durchmessern rat­ sam, die Schlitze bis zur Peripherie zu führen. Im letzteren Fall ist stets darauf zu ach­ ten, daß der unter dem Laufring entlanggeführte Schlitzabschnitt stets geradlinig ver­ läuft, damit die Überbrückung der Schlitze durch den Laufring so kurz wie möglich ge­ halten wird.

In der Regel wird als Grundkörper für das Kontaktstück ein hochreines, entgastes Kupfer verwandt. Es hat sich als kostengünstige Lösung herausgestellt, die dem Ge­ genkontaktstück zugewandte Kontaktstückoberfläche mit einer dünnen Schicht eines für die Stromabschaltung optimierten Materiales zu belegen. Dabei kann ein Verfahren angewendet werden, bei dem die Kupferkontaktstückoberfläche durch Energiestrah­ lung, z. B. Elektronenbeschuß, bis nahe der Schmelztemperatur erhitzt und durch ein Metallpulver, z. B. Chrompulver, bedeckt wird. Auf der Kontaktstückoberfläche bildet sich ein kupferreicher Mischkristall mit elementarem Chrom aus. Eine solche Schicht besitzt ein gutes Stromabschaltvermögen.

Eine andere Möglichkeit, die Kontaktstückoberfläche, insbesondere den Boden der Kontaktstückmulde, mit einem Lichtbogenmaterial zu bedecken, besteht darin, dort eine Abbrandscheibe einzulöten. Letztere enthält, entsprechend der verwendeten Schlitzgeometrie, zur Kontaktstückmulde deckungsgleiche Schlitze und kann aus ei­ nem Cu-Gr-Material gebildet sein.

Das Kontaktstück kann auch selbst aus einzelnen Scheiben einschließlich Laufring mehrstückig aufgebaut werden. Diese bzw. der Laufring lassen sich, wie in der älteren DE 38 40 192 A1 bereits beschrie­ ben, mit Zentrierungsmarken versehen - was die Zusammen­ stellung zu einer Lötgruppe wesentlich vereinfacht. In die Scheiben bzw. den Laufring werden Sicken geprägt, die das Material auf der gegenüberliegenden Seite als Höcker hervortreten lassen. Beim Aufeinanderlegen grei­ fen dann die Höcker des einen Teils in die Sicken des anderen ein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen sowie der auf ein Ausfüh­ rungsbeispiel sich beziehenden Beschreibung zu entneh­ men.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Kontaktstück mit sepa­ ratem Laufring,

Fig. 2 die Draufsicht auf das Kontaktstück nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Fortbildung eines Kontaktstückes mit se­ paratem Laufring im Schnitt,

Fig. 4 die Schnittansicht eines einstückigen Kontakt­ stückes,

Fig. 5 die Seitenansicht eines einstückigen Kontakt­ stückes entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, jedoch mit einer mechanischen Abstützung,

Fig. 6 eine Variation des Kontaktstückes gemäß Fig. 5 und

Fig. 7 eine Variation des Kontaktstückes gemäß Fig. 4.

In den Figuren ist jeweils nur ein Kontaktstück der Kon­ taktanordnung dargestellt. Das Gegenkontaktstück hat man sich spiegelbildlich hinzuzudenken. Bei der hier abzu­ handelnden Kontaktanordnung wird vornehmlich von einem auf den Lichtbogen wirkenden radialen Magnetfeld ausge­ gangen. Dabei sind die Schlitze in dem einen Kontakt­ stück gegenläufig zu denen im gegenüberstehenden anderen Kontaktstück angeordnet. Natürlich ist die Anordnung auch für Kontaktanordnungen mit axialem Magnetfeld brauchbar. Dabei behalten die Schlitze in den einzelnen Kontaktstücken die Drehrichtung bei.

Der Kontaktstückaufbau wird sich in an sich bekannter Weise etwas verändern, wobei spezielle Kontaktübergangs­ stellen zu schaffen sind und das Kontaktstück insgesamt von einer speziellen Kontaktplatte abzudecken sein wird.

Ausgegangen wird von einem Grundkörper, nämlich einer Kontaktscheibe 1, in die spiralförmig zum Außenumfang auslaufende, sog. J-Schlitze 2, bestehend aus einem im zentralen Bereich beginnenden bogenförmigen sowie einen daran sich anschließenden geraden Abschnitt, einge­ schnitten sind. Der bogenförmige Abschnitt kann aus ei­ nem Kreisbogen oder mehreren ineinanderlaufenden Kreis­ bögen gebildet sein. In den Fig. 1 bis 3 sind die Schlitze von einem Zentrum ausgehend bis zur Außenseite des Kontaktstückes geführt. Im Zentrum wird das Kontakt­ stück von der Rückseite aus von einem Stromanschlußlei­ ter 3 kontaktiert, der mit einem Zapfen 4 in den Grund­ körper eingreift. Die Kontaktscheibe 1 ist im Ausfüh­ rungsbeispiel nicht rein scheibenförmig, sondern mit ei­ nem am äußeren Umfang angesetzten zum Gegenkontaktstück hin vorstehenden Kranz 5 ausgeführt. Dies hat bei den Ausführungen gemäß Fig. 1 bis 3 den Zweck, den dort aufsitzenden Laufring 6 zu zentrieren. Einmal besitzt der Laufring 6 an seinem Innendurchmesser einen Zen­ trierstutzen 7 (Fig. 1), mit dem er sich an der Innen­ seite des Kranzes 5 zentriert. Andererseits ist - wie in Fig. 3 zu erkennen - am Außenumfang des Kranzes 5 eine Zentriereindrehung 8 angebracht, in die der entsprechend profilierte Laufring 6 eingreift. Laufring 6 und Kon­ taktscheibe 1 sind miteinander verlötet. Der Laufring 6 bildet somit die erhabene Ringlauffläche; er ist unge­ schlitzt und überragt in radialer Richtung das übrige Kontaktstück unter Bildung einer abgerundeten Außenkante 9. Er ist aus einem besonderen, für die Stromabschaltung optimierten Material, z. B. einem Kupfer-Chrom-Sinter­ werkstoff gebildet. Der Werkstoff des übrigen Kontakt­ stückes besteht in der Regel aus entgastem Kupfer.

Da der Boden 10 der Kontaktstückmulde dem Gegenkontakt­ stück zugewandt ist und vom Schaltlichtbogen aufgesucht bzw. angeschmolzen werden kann, ist es zweckmäßig, die­ sen auch mit dem besonderen Lichtbogenmaterial abzudecken. Dies geschieht mittels einer Kontaktscheibe 11 ge­ mäß Fig. 3. Andererseits kann der Boden 10 eine beson­ dere Chrombeschichtung tragen, die nach dem im Anspruch 7 angegebenen Verfahren aufzubringen ist.

Das Kontaktstück kann - wie die Fig. 4 und 5 zeigen - auch einstückig ausgebildet sein. Das gesamte Kontakt­ stück mit integriertem Laufring kann aus einem für die Stromabschaltung geeigneten Material, z. B. einem Kup­ fer-Chrom-Sinterwerkstoff, gebildet sein. Das so gebil­ dete topfförmige Kontaktstück ist am äußeren Durchmesser mit Stegen 5a versehen, deren freie Oberseite eine ge­ genüber der Kontaktscheibe 1 erhabene Ringlauffläche 6a bildet. Besteht das gesamte Kontaktstück mit integrier­ tem Laufring hingegen aus sauerstofffreiem Kupfer, also einem für Stromabschaltungen nicht geeigneten Material, so sind der dem Gegenkontaktstück zugekehrte Topfboden 10a sowie die Ringlauffläche 6a mit einem besonderen Lichtbogenmaterial zu beschichten bzw. zu belegen. Hier bietet sich wiederum ein Beschichtungsverfahren gemäß Anspruch 7 an.

Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, die Breite b des Steges 5a (siehe Fig. 5) zwischen 3 mm und 16 mm sowie die Stärke d zwischen 2 mm bis 6 mm zu wählen; dies hat natürlich auch Gültigkeit für die Abmaße des Laufringes 6, wobei es für jeden Kontaktstückdurchmesser ein Optimum gibt.

Lediglich bei größeren Kontaktstückdurchmessern ist eine Abstützung der Kontaktscheibe 1 notwendig. Eine solche ist in Fig. 5 dargestellt. Dort ist eine Platte 12 mit Tragring 13 oder mindestens vier am Umfang angeordneten Auflagestützen dem Steg 5a untergebaut. Die Auflagestüt­ zen können von Sicken (Ausprägungen) gebildet sein (nicht sichtbar), die der Platte 12 beigebracht werden. Diese Konstruktion ist bei groben Nennströmen mit ent­ sprechend hohen Kontaktkräften angezeigt. Das Material der Stützkonstruktion ist relativ schlecht leitend; empfohlen wird Edelstahl.

In Fig. 6 ist eine Scheibe 14 als Stützelement gewählt, die zwischen Kontaktscheibe 1 und Stromanschlußleiter 3 in unmittelbarem Körperkontakt angeordnet ist. Es be­ steht aus einem wesentlich schlechter als Kupfer leiten­ den oder einem nichtleitenden Werkstoff. Als schlecht­ leitende Werkstoffe können Edelstahl oder auch Teile aus Cermet verwendet werden.

Für nichtleitende Werkstoffe kommen z. B. Keramiken, insbesondere whisker- und umwandlungsverstärkte Kerami­ ken in Frage. Einsetzbar sind auch nichtoxidische Werk­ stoffe, wie Carbide (z. B. Siliziumcarbid), Nitride (z. B. Siliziumnitrid und SiAlon). Der Durchmesser der Scheibe 14 richtet sich nach der zu beherrschenden Kon­ taktkraft und kann in seinem Größtmaß bis an den Außen­ durchmesser der Kontaktscheibe heranreichen.

In der Draufsicht gemäß Fig. 7 sind deutlich die ein­ zelnen Schlitzabschnitte erkennbar, nämlich der kreisbo­ genförmige Abschnitt 2a sowie der geradlinige Abschnitt 2b. Letzterer endet vor der Ringlauffläche 6a, was bei größeren Kontaktstückdurchmessern durchaus möglich ist.

Claims (13)

1. Kontaktanordnung für eine Vakuumschaltkammer mit zwei in Berührung bringbaren, scheibenförmigen Kontaktstücken, in die umfänglich gleichmäßig verteilte, von einem inneren Zentrum ausgehende, spiralförmige, in Richtung Außenumfang verlaufende Schlitze eingebracht sind und ein Stromanschlußleiter jeweils das Zentrum des Kontaktstückes kontaktiert, wobei das eine Kontaktstück an seiner aktiven, dem Gegenkontaktstück zugewandten Oberseite einen erhabenen, ungeschlitzten Laufring trägt, dessen Außendurchmesser mit demjenigen des Kontaktstückes nahezu über­ einstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkante (9) der Ringlauffläche (6a) wulstförmig ausgebildet und im Durchmesser das übrige Kontaktstück überragt und daß der Laufring (6) an der Kontaktscheibe (1) zentriert ist.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufring (6) in eine Zentriereindrehung (8) am äußeren Umfang der Kontaktscheibe (1) eingreift.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine er­ habene Ringlauffläche (Kranz 5) für den Laufsteg vorhanden und letzterer mit einem am Innendurchmesser angesetzten Zentrierstutzen (7), der in die durch die erhabene Ring­ lauffläche gebildete Kontaktstückmulde ragt, versehen ist.

4. Kontaktanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Kontaktscheibe (1) elektrisch schlecht- bzw. nichtleitende Stütz­ elemente untergebaut sind.

5. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement von einer Platte (12) bzw. Scheibe (14) gebildet ist.

6. Kontaktanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kontaktscheibe (1) und Platte (12) im Bereich des Umfangskreises des Laufringes (6) ein Tragring (13) angeordnet ist.

7. Kontaktanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kontaktscheibe (1) und Platte (12) im Bereich des Umfangskreises des Laufringes (6) einzelne Auflagestützen angeordnet sind.

8. Kontaktanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufla­ gestützen durch Sicken in der Platte (12) gebildet sind.

9. Kontaktanordnung nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kontakt­ scheibe (1) elektrisch schlecht- bzw. nichtleitende Stützelemente untergebaut sind.

10. Kontaktanordnung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Stützelement von einer Platte (12) bzw. Scheibe (14) gebildet ist.

11. Kontaktanordnung nach Anspruch 9 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Kontaktscheibe (1) und Platte (12) im Bereich des Umfangskreises des Lauf­ ringes (6) ein Tragring (13) angeordnet ist.

12. Kontaktanordnung nach Anspruch 9 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Kontaktscheibe (1) und Platte (12) im Bereich des Umfangskreises des Lauf­ ringes (6) einzelne Auflagestützen angeordnet sind.

13. Kontaktanordnung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auflagestützen durch Sicken in der Platte (12) gebildet sind.