DK165718B - Elektrisk vacuumafbryder forsynet med hesteskoformet element for tilvejebringelse af et aksialt magnetisk felt - Google Patents

Description

DK 165718 B

Opfindelsen angår en vacuumafbryder med et af lameller opbygget hesteskoformet ferromagnetisk element placeret omkring hver kontaktstang.

Som følge af placeringen tilvejebringes et magnetisk 5 kredsløb omkring kontaktstangen, hvilket kredsløb indbefatter en del med lav magnetisk modstand og en del med høj magnetisk modstand, idet den cirkulære bund i det hesteskoformede elements U-formede indre hulhed er placeret op mod den dertil knyttede kontaktstang, og idet elementerne er forskudt 180“ 10 i forhold til hinanden, vil det indre magnetiske felt, som tilvejebringes i de hesteskoformede elmenter, når strømmen går igennem afbryderen, i den udstrækning elementet nærmer sig området med en høj magnetisk modstand, hovedsagelig være orienteret aksialt mellem de to hesteskoformede elemen-15 ter.

En vacuumafbryder af denne art er offentliggjort i dansk fremlæggelsesskrift nr. 146 549.

I den kendte afbryder er der på en meget enkelt måde tilvejebragt et kraftigt aksialt magnetisk felt ved ferro-20 magnetiske hesteskoformede elementer, hvilket bevirker, at buespændingen begrænses og vacuumafbryderens kredsløbsafbrydelseskarakteristik forbedres.

Selv om de ferromagnetiske hesteskoformede elementer, som er offentliggjort i det danske fremlæggelsesskrift, 25 frembringer en væsentlig forbedring i tilknytning til buespænding og som følge heraf vacuumafbryderens afbrydelsesarbejdsmåde, så er der dog til denne afbryder knyttet et antal ulemper.

Dette gælder især, hvis buespændingen skal forøges 30 med deraf følgende forøget afbrydelsesevne gennem forøgelse af det aksiale felt, hvorfor de ferromagnetiske hesteskoformede elementers volumen skal forøges. Imidlertid ville, henset til de ferromagnetiske hesteskoformede elementers placering i afbryderen, en sådan forøgelse samtidigt medføre, 35 at afbryderens dimensioner skulle forøges. Dette er imidlertid ikke i overensstemmelse med det almindelige hensigt, at

DK 165718B

2 begrænse vacuumafbryderens dimensioner så meget som muligt. Hertil kommer, at det bevægelige kontaktstykkes masse ligeledes vil blive forøget, hvilket vil stille større krav til drivmekanismen og føre til en forøget tendens til kontakt-5 prelning, når afbryderen sluttes.

Det er således formålet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en vacuumafbryder med forøget evne til kredsløbsafbrydning uden de tidligere nævnte ugunstige virkninger. Det angivne formål opnås med en vacuumafbryder 10 af den indledningsvis omhandlede art, som ifølge opfindelsen er ejendommelig ved den i krav l's kendetegnende del angivne udformning.

I en vacuumafbryder ifølge opfindelsen påvirkes det indre magnetiske felt af en magnetisk modstand, som tiltager 15 samtidig med, at afstanden fra det U-formede bundstykke forøges i forhold til afstanden fra kontaktfladen.

I vacuumafbryderen er hvert hesteskoformede element på den ene side begrænset af en flad grænseflade, som står vinkelret på kontaktstangen, og som er placeret op mod kon-20 taktfladen, medens det hesteskoformede element på den anden side er afgrænset med en grænseflade, som, idet den udgår fra det U-formede bundstykke mod det stykke, som har høj magnetisk modstand, nærmer sig den ovennævnte affladede grænseflade .

25 Ifølge den foreliggende opfindelse vil materialer med høj mætningsinduktion, som f.eks. rent jern, blive udpeget til det i de hesteskoformede elementer indbefattede ferro-magnetiske materiale. Ved at legere rent jern med kobolt tilvejebringes der samtidigt en højere elektrisk modstand i 30 materialet. Fra rækken af mulige materialer foretrækkes materialet FeCo 50/50, idet dette materiale forener en høj mætningsinduktion med en stor elektrisk modstand.

En eksempelvis udførelsesform af opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til tegningen, 35 på hvilken:

DK 165718B

3 o fiq. 1 er en afbildning af den i dansk fremlæggel- sesskrift nr. 146.549 offentliggjorte vacuumafbryder, fig. 2 anskueliggør fluxkomposanternes vej' i den i fig. 1 viste afbryder, 5 fig. 3 viser fluxkomposanternes vej, i den ved op findelsen tilvejebragte afbryder, fig. 4 er en afbildning af en eksempelvis udførelsesform af den ved opfindelsen tilvejebragte afbryder, fig. 5 er en eget udformning af en udførelsesform og 10 en opbygning af et hesteskoformet element tilvejebragt af horisontale lameller, fig. 6 viser en anden udformning af en udførelsesform og en opbygning af et hesteskoformet element tilvejebragt ved vertikale, omviklede lameller, 15 fig. 7 viser den egnede udformning af en udførel sesform og en opbygning af et element tilvejebragt af lodrette, koncentriske lameller, fig. 8 viser maksimum buespænding som funktion af strømmen, dels i kendte vacuumafbrydere og dels i vacuum-20 afbrydere ifølge opfindelsen, fig. 9 anskueliggør et antal magnetiseringskurver i tilknytning til yderligere forklaringer.

Som vist i fig. la er kontaktstykkerne 1 og 2 tilvejebragt med ferromagnetiske hesteskoformede elementer 25 henholdsvis 5 og 6, hvilke elementer er placeret bag kontaktstykkerne. Kontaktstykkerne 1 og 2 og de dertil knyttede ferromagnetiske hesteskoformede elementer 5 og 6 er fastgjort på kontaktstængerne henholdsvis 3 og 4, ved hvilke kontakt-stænger kontaktstykkerne 1 og 2 kan bringes i indbyrdes be-30 røring eller kan adskilles fra hinanden.

Hvis en strøm løber gennem afbryderen, vil den inducere et indre magnetisk felt i de ferromagnetiske hesteskoformede elementer 5 og 6, dvs. forløbende koncentrisk omkring kontaktstangen, hvilket magnetisk felt imidlertid, som 35 følge af formen og opbygningen af de hesteskoformede elementer, trinvis og i stor udstrækning vil blive ændret til et

DK 165718 B

O

4 aksialt orienteret magnetisk felt 7, hvilket forbedrer vacu-umafbryderens bueundertrykkende egenskaber. Det aksiale magnetiske felt 7 forløber tilnærmet som angivet i fig. Ib mellem de hesteskoformede elementer 5 og 6.

5 I fig. 2 er afbildet et snit gennem de i fig. 1 viste ferromagnetiske hesteskoformede elementer 5 og 6, med det ene element over det andet. Kontaktfladen 8 ligger mellem elementerne og er angivet med en stiplet linie.

Som allerede tidligere nævnt vil det magnetiske felt 10 é , som induceres af strømmen igennem afbryderen, f.eks. i det ferromagnetiske, hesteskoformede element 6 blive delt op i en indre komposant <j^r, som hovedsagelig går igennem det ferromagnetiske, hesteskoformede element og en aksial komposant <^a, som forløber over til det andet ferromagnetiske, 15 hesteskoformede element 5.

Det samlede magnetiske felt ved tværsnitlinien A, dvs. ved det U-formede bundstykke, vil samlet forløbe i det U-formede elements længderetning koncentrisk med kontaktstangen, men vil, som følge af den aksiale komposant (j) a gradvist 20 aftage, efterhånden som afstanden til tværsnitslinien A øges.

Hvor stykket med en høj magnetisk modstand i det ferromagnetiske, hesteskoformede element er beliggende, vil der, som følge heraf, kun restere en forholdsvis lille feltkomposant ^ .

Dette betyder imidlertid, at de ferromagnetiske, hesteskofor-25 mede elementer 5 og 6 ikke kan være udnyttet optimalt, hvad magnetisk mætning angår, idet stykket ved tværsnitslinien A vil have nået det magnetiske mætningspunkt, mens dette langt fra er tilfældet med de op mod stykker med høj magnetisk modstand beliggende dele. Som følge af mætningen, kan de't 30 samlede felt <[> i det hesteskoformede element ikke øges yderligere, hvilket, som følge heraf, også er tilfældet med det aksiale felt $a·

For at kunne forøge det aksiale magnetiske felt, skal det samlede volumen af de ferromagnetiske, hestesko-35 fomede elementer forøges, hvorved det magnetiske mætnings punkt først vil blive nået ved en større længdegående felt- 5

DK 165718 B

O

komposant $> , hvoraf følger, at også den aksiale feltkom- posant vil kunne opnå en højere værdi. En forøgelse af de ferromagnetiske, hesteskoformede elementers volumen kan kun tilvejebringes ved forøgelse af dimensionerne i aksial-5 retningen, idet de radiale dimensioner er forud fastsat hovedsagelig ved de dertil knyttede kontaktstykker.

Bortset fra de indledningsvis nævnte ulemper hvad angår dimensioner og totalvægt af kontaktopbygningen, samt den ikke effektive anvendelse af de ferromagnetiske, heste-10 skoformede elementer, som ovenfor omtalt, så vil den anvendte aksiale feltkomposant φ i dette tilfælde ikke forøges så meget, som feltkomposanten φ , hvilket betyder, at det sam-lede felt φ 's virkning nedsættes. Især vil, som følge af det hesteskoformede elements tiltagende tykkelse, den magne-15 tiske modstand i det åbne stykke falde, efter som overfladearealet forøges, hvorved et større felt $ vil krydse over på dette punkt._ Dette vil ske på bekostning af den aksiale feltkomposant φ a.

I fig. 3 er i et snit, som i fig. 2, anskueliggjort 20 en ved opfindelsen tilvejebragt foretrukne udførelsesform af de to ferromagnetiske, hesteskoformede elementer 5 og 6, med det ene element placeret over det andet og med kontaktfladen 8 igen liggende mellem de to hesteskoformede elementer.

Den i fig. 3 anskueliggjorte udformning tilvejebrin-25 ger ikke alene en optimal udnyttelse i relation til det magnetiske mætningspunkt af de ferromagnetiske, hesteskoformede elementer, idet vasksten af den samlede kontaktopbygning samtidig er formindsket, men den aksiale feltkomposant φ_^ er samtidigt forøget væsentligt uden ændring af dimensionerne 30 i den aksiale retning, og med det samme samlede felt § .

Dette ses af fig. 3, idet den magnetiske modstand over for feltkomposanten φer forøget væsentligt, medens modstanden over for den aksiale feltkomposant er forblevet konstant. Som følge heraf, vil en større del af det samlede magnetiske 35 felt forløbe i den aksiale retning. På denne vis kan, ifølge opfindelsen, tilvejebringes en betydelig forbedring i vacu-

O

6

DK 165718B

umafbryderens karakteristik, på en overordentlig ukompliceret måde, således som nævnt indledningsvis.

Denne forbedring er naturligvis ikke begrænset til udnyttelsen af et magnetisk felt til forbedret bueundertryk-5 kelse i tilknytning til afbryderens arbejdsmåde, men kan også virke ved opnåelse af en forbedring, når afbryderstrømmen virker ved frembringelse af magnetiske frastødnings- eller tiltrækningskræfter mellem kontaktelementerne.

I fig. 4 er vist en kontaktopbygning ifølge opfin-10 delsen, hvilken kontaktopbygning er tilvejebragt af små plader af et ferromagnetisk materiale lagt oven på hinanden.

8 angiver atter kontaktfladen mellem de to kontaktstykker 1 og 2. 3 og 4 er de dertil knyttede kontaktstænger, omkring hvilke de hesteskoformede elementer, som er tilvejebragt ved 15 stabling af små plader, er placerede. Disse små plader kan være samlede med en nitte, en stift eller lignende, og dimensionerne i den aksiale retning kan varieres ved tilvejebringelse af flere eller færre små plader.

I fig. 5 er eksempelvis anskueliggjort forskellige 20 udformninger af de små plader. Af pladesamlingen fremgår det, at den magnetiske modstand over for den indre længdegående feltkomposant også vil forøges kraftigt i dette tilfælde, efterhånden som afstanden fra det midterste stykke, hvor det hesteskoformede element er tykkest, forøges. Den her viste 25 udformning tilnærmes således den i fig. 3 viste udformning.

Fig. 6 er en afbildning af et ferromagnetisk, hesteskoformet element ifølge en anden foretrukken udførelses-form af den foreliggende opfindelse, i hvilken udførelsesform de små flader er bøjede koaksialt omkring kontaktstangen. 30 Et element af denne art kan fremstilles på ukompli ceret vis ved opvinding af en rulle af ferromagnetisk båndeller strimmelmateriale omkring en form, idet den indre diameter af formen har en sådan størrelse, at kontaktstangen har en egnet pasning her ind i. Herefter sikres på egnet 35 vis, f.eks. ved indkapsling/at vindingerne fastholdes. Herefter kan der tilvejebringes et område med høj magnetisk

O

DK 165718B

7 modstand ved fjernelse af en del af væggen af det oprullede materiale, f.eks. ved fræsning, og herefter kan der endelig tilvejebringes en forøgelse af den magnetiske modstand over for den indre længdegående komposant af feltet ved tilspids-5 ning af rullen.

I fig. 7 er vist en anden udførelsesform. Også her er det ferromagnetiske, hesteskoformede element opbygget af små plader, som i dette tilfælde imidlertid er sat sammen i aksial retning, koaksialt omkring kontaktstangen. De små 10 plader er udformet i overensstemmelse med et forud fastsat mønster, hvorefter de bøjes til den forud udpegede form, og herefter fastholdes indbyrdes, f.eks. ved nitter.

Nederst i fig. 7 er den inderste og den yderste lille plade vist udfoldet som eksempel. Fordelen ved denne udfø-15 reisesform i forhold til den i fig. 6 viste udførelsesform er den, at det ferromagnetiske, hesteskoformede elements endelige udformning kan tilvejebringes overensstemmende med forskellige krav.

I fig. 8 er den maksimale buespænding i V anskue-20 liggjort som en funktion af strømmen gennem afbryderen i kA i en vacuumafbryder uden aksialt felt (kurve A), i en afbryder med ulaminerede, ferromagnetiske, hesteskoformede elementer (kurve B), i en afbryder med laminerede, ferromagnetiske, hesteskoformede elementer (kurve C) og endelig i 25 en vacuumafbryder med hesteskoformede elementer ifølge opfindelsen ]kurve D). Kurven C er afledt for en vacuumafbryder af den indledningsvis nævnte art. Kurven D viser nedsættelsen i buespændingen ved forøgelse af den afbrudte strøm i den ved opfindelsen tilvejebragte afbryder. Målpunkterne 30 for kurverne C og D går kun op til 25 kA. Imidlertid kan der ved extrapolation drages den slutning, at buespændingen især i tilknytning til kurve D forbliver på et meget lavt niveau, selv ved meget høje strømme. Extrapolationen er tilladelig ud fra kendskabet til den hurtige eller langsomme mætnings-35 forøgelse i de forskellige udførelsesformer af de hesteskoformede elementer.

O

8

DK 165718B

I modsætning til de krav, som stilles til de fleste materialer med magnetiske egenskaber, er det ikke kurvestejlheden som er af betydning, men derimod den høje induktion ved mætning. Som følge heraf må rent jern foretrækkes 5 for de meget anvendte såkaldte transformatorlameller. Som følge af den høje mætningsinduktion kan de ferromagnetiske, hesteskoformede elementer udformes mindre for en udpeget feltstørrelse, end det er tilfældet med materialer med en lavere mætningsinduktion. Det er også væsentligt, at materia-10 let har en stor elektrisk modstand, idet der kan anvendes en tykkere laminering uden tilvejebringelse af ufordelagtige hvirvelstrømme. Som følge heraf, kan det ferromagnetiske element bygges op med færre lag, hvilket ud fra et produktionssynspunkt er fordelagtigt. Til opnåelse af en højere 15 elektrisk modstand med samtidig bevaring af en god mætningsinduktion anvendes ofte jern-koboltlegeringer, som f.eks. Vacoflux 24S2 med et koboltindhold på 24% eller FeCo 50/50 med et koboltindhold på 50%, hvilket sidste må foretrækkes.

I fig. 9 er vist magnetiseringskurver for et antal 20 materialer. I modsætning til, hvad der udkræves af de fleste materialer med magnetiske egenskaber, er det ikke kurvernes stejlhed som er væsentlig, men den opnåelige høje mætningsinduktion. Derfor foretrækkes rent jern (kurve 1) fremfor de meget anvendte såkaldte transformatorlameller (kurve 2), 25 med 3% siliciumstål. Som følge af den høje mætningsinduktion kan de ferromagnetiske, hesteskoformede elementer udformes mindre for en given feltstørrelse.

Det er også af betydning, at materialet har en høj elektrisk modstand, idet der herved kan anvendes tykkere 30 laminering uden tilvejebringelse af ugunstige hvirvelstrømme. Det ferromagnetiske element kan således opbygges af færre lag, hvilket ud fra et produktionsmæssigt synspunkt er fordelagtigt. Ud fra dette synspunkt vil et materiale, som må foretrækkes, f.eks. være FeCo 50/50 (kurve 3), idet der her 35 er tilvejebragt såvel en høj mætningsinduktion som en stor elektrisk modstand.

DK 165718B

O

9

Det er ansøgernes hensigt ved deres patentkrav at dække alle de ændringer og modifikationer, som kan foretages af de udførelsesformer af opfindelsen, som heri er valgt med det formål at forklare opfindelsen, uden at afvige fra 5 dennes ånd og omfang.

10 15 20 25 30 35

Claims (7)

1. Elektrisk vacuumafbryder med to kontakter (1,2) af et elektrisk ledende materiale, hvor hver kontakt (1,2) er monteret på enden af en kontaktstang (3,4) af elektrisk 5 ledende materiale, hvilke stænger (3,4) sammen med de dertil knyttede kontakter (1,2) kan føres mod hinanden eller bort fra hinanden, og hvori et U-formet, af lameller opbygget ferromagnetisk element (5,6) er fastgjort omkring hver kontaktstang (3,4), idet hvert U-formet element (5,6) i denne 10 placering udgør et magnetisk kredsløb, som omgiver den dertil knyttede kontaktstang (3,4), og hvor hvert magnetisk kredsløb indbefatter et område med relativ lav magnetisk modstand, hvilket område udgøres af det ferromagnetiske materiale i den U-f ormede element (5,6), og et område med en relativ 15 høj magnetisk modstand, hvilket område udgøres af gabet mellem de åbne ender af benene af de U-formede elementer, og hvor det indre hulrum i det delvist cirkulære bundstykke på det U-formede element (5,6) er placeret op imod den dertil knyttede kontaktstang (3,4), og hvori de to magnetiske ele-20 menter (5,6) indbyrdes er drejet 180°, således at gabet på det ene U-formede element (5,6) er placeret modsat det delvist cirkulære bundstykke på det andet U-formede element, således, at når en elektrisk strøm passerer gennem stængerne (3,4) på afbryderen, vil det indre magnetiske felt, som 25 frembringes af denne strøm i de U-formede elmenter (5,6), stort set rettes aksialt (7) mod de modstående U-formede elementer (5,6) i den anden kontaktstang (3,4), jo nærmere det magnetiske felt i de U-formede elementer (5,6) kommer til gabet som følge af den relativt høje magnetiske modstand, 30 kendetegnet ved, at de enkelte plader eller blik (5,6; 1-7, 15), som danner hver af de stablede, af lameller opbyggede U-formede ferromagnetiske elementer (5,6) er gradvist afvigende udformet, således at den udfoldede, plane afbildning af et aksialt, cylindrisk tværsnit gennem hvert 35 element (5,6) indbefatter en bred central del, som modsvarer det hovedsageligt cirkulære bundstykke, og to indsnævrende, DK 165718 B 11 modstående ender, som modsvarer benene i det U-formede element (5,6), som afsluttes op imod gabet, idet opbygningen er således, at den magnetiske modstand overfor det indre magnetiske felt frembragt ved strømmen gennem afbryderen 5 gradvis forøges fra det delvis cirkulære bundstykke gennem hvert ben på det U-formede element (5,6) mod gabet, hvilket bevirker, at det magnetiske felt i stigende omfang forlader det U-formede element og krydser aksialt over mod det modstående U-formede element.

2. Vacuumafbryder ifølge krav 1, kendeteg net ved, at hvert af de U-formede elmenter (5,6) har en flad, afgrænset flade, som står vinkelret på kontaktstangen, og som er placeret på kontaktfladesiden (8) mellem kontakterne (1,2) og en modstående afgrænsende overflade, som 15 idet den udgår fra det U-formede bundstykke og forløber mod området med høj magnetisk modstand, nærmer sig den flade, afgrænsende flade.

3. Elektrisk vacuumafbryder ifølge krav 2, kendetegnet ved, at de af lameller tilvejebragte ferro- 20 magnetiske, U-formede elementer (5,6) er sammensat af ferro-magnetiske plader eller blik (1-7), som i stablet form ligger parallelt med den flade, afgrænsende flade, idet enhver plades eller bliks ben, som afgrænser den U-formede indre hulning, tilsammen danner en vinkel, som tiltager med stigen- 25 de afstand fra kontaktfladen.

4. Elektrisk vacuumafbryder ifølge krav 2, kendetegnet ved, at de af lameller opbyggede ferromagne-tiske, U-formede elementer (5,6) er sammensat af ferromagne-tiske plader eller blik, som ligger vinkelret på den afgræn- 30 sende flade, og hver især koncentrisk er placeret omkring kontaktstængerne (3,4) og danner en koaksial cylindrisk del, hvis aksiale dimensioner, målt fra den flade, afgrænsende flade, er aftagende fra den cirkulære bund af den U-formede indre hulning ud mod det yderste åbne område, (fig. 35 6,7).

5. Vacuumafbryder ifølge krav 4, kendeteg- DK 165718 B 12 net ved, at de ferromagnetiske plader eller blik, som er tilvejebragt som koaksiale cylindriske dele, er opbygget af en i spiral viklet strimmel.

6. Vacmimafbryder ifølge krav 1-5, kendeteg-5 net ved, at det hesteskoformede elements ferromagnetiske materiale er tilvejebragt i rent jern.

7. Vacuumafbryder ifølge krav 6, kendetegnet ved, at det ferromagnetiske materiale i det hesteskoformede element er tilvejebragt i FeCo 50/50.