EP0203367A1 - Kontaktanordnung für Vakuumschalter - Google Patents

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EP0203367A1
EP0203367A1 EP86105595A EP86105595A EP0203367A1 EP 0203367 A1 EP0203367 A1 EP 0203367A1 EP 86105595 A EP86105595 A EP 86105595A EP 86105595 A EP86105595 A EP 86105595A EP 0203367 A1 EP0203367 A1 EP 0203367A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
slots
disc
arrangement according
contact arrangement
Prior art date
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EP86105595A
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English (en)
French (fr)
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Inventor
Wilfried Kuhl
Gerhard Sebald
Heinrich Dr. Hässler
Wolfgang Dr. Schlenk
Günter Bialkowski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0203367A1 publication Critical patent/EP0203367A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0203367B1 publication Critical patent/EP0203367B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H33/6643—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having disc-shaped contacts subdivided in petal-like segments, e.g. by helical grooves
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H33/6644—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having coil-like electrical connections between contact rod and the proper contact

Definitions

  • the invention relates to a contact arrangement for vacuum switches, with two contacts arranged coaxially opposite one another and displaceable in their axial direction relative to one another, each of which consists of a disk-shaped contact piece with a contact surface and at least one disk at a distance therefrom made of electrically highly conductive material, which the latter are connected directly to a central power supply bolt and, due to their shape with circular recesses and slots, implement radial and azimuthal current conductors and thereby means for generating axial magnetic fields, the current being conducted from the power supply bolt via the current conductors to the contact piece.
  • Vacuum switches are becoming increasingly important for high breaking currents.
  • the following problem arises:
  • high forces occur against the arc plasma, which push the plasma out of the contact gap to the switching chamber wall and shift the arc attachment points to the outer switching contact circumference, where they can burn there.
  • This fact has the consequence that after-heating or thermal emission as well as thermal emission can cause the arc to re-ignite after the zero crossing of the sinusoidal alternating current due to thermal overloading of the contact surfaces concerned, as a result of which the current can no longer be safely extinguished or switched off .
  • a strong local melting of the contact piece is associated with high burn-up losses.
  • the parameters of the axial magnetic field are essentially dependent on the design of the associated coil former.
  • Known contact forms for self-generating axial magnetic fields are usually composed of coil elements bent in the shape of an arc or hook.
  • each contact consists of a contact piece and a coil behind it, the latter being formed with approximately spoke-shaped arms as first conductor sections and ring-shaped areas attached to them as second conductor sections.
  • the second conductor sections adjoin each other in the area of the greatest distance of the first conductor section from the central axis and run in the same direction on a circular arc that extends approximately parallel to the outer circumference of the one contact piece up to a gap-shaped distance to the respectively adjacent first line distance and there in passes over a third conductor section.
  • the bobbins with the conductor sections are in alignment with one another in both contacts.
  • the production of the contacts with the associated coil elements is comparatively complex, such an arrangement being mechanically not very stable.
  • a contact arrangement in which behind the actual contact piece there are conductor sections in which partial currents are guided in the radial and circumferential directions to generate an axial magnetic field in the contact arrangement, the contacts being lined up in the circumferential direction contain cross-section-reducing recesses and the webs remaining between the recesses form radially extending conductor sections.
  • the contacts of the same design are installed in a contact arrangement rotated about the longitudinal axis in such a way that in each case a recess in one contact faces a web of the other contact and covers it.
  • This is intended to form contact areas between the cutouts and the periphery of the contacts, a gap leading to the contact edge of each cutout in order to delimit a conductor section in the circumferential direction.
  • the overlapping gaps of the contacts are placed where the cutouts intersect in order to achieve a contact opening in the radial direction.
  • circular through-bores can be provided in this contact arrangement.
  • the mutually directed contact surfaces of the two contacts must be provided with a contact material suitable for vacuum switches, for which purpose a thin disk or a layer is to be applied to the arrangement described.
  • the object of the invention is to improve a contact arrangement of the type mentioned at the outset in such a way that it is even more effective than the previously known arrangements with regard to the generation of an axial magnetic field.
  • Such an arrangement should be easy to manufacture, the stability of the contact arrangement should be given in particular for high currents.
  • the object is achieved according to the invention in a contact arrangement of the type mentioned at the outset in that the slots extend tangentially from the circumference of the disk to the circular cutouts and the contacts which are arranged opposite one another are oriented azimuthally in such a way that webs for carrying current are in each case provided by the slots and the cutouts be limited between the disc and the contact piece and that the mutually opposite contacts are oriented azimuthally such that the circular recesses of the two opposite discs are congruent in the axial direction, the associated tangential slots, however, are only opposite each other on the outer diameter of the discs.
  • the slots preferably form an acute angle with the tangent to the circumference of the disk.
  • the radial and azimuthal conductor elements in the disks change their surface continuously and that there is an optimal cross-sectional change for the coil arms thus formed, which supports the course of the magnetic field in the desired manner.
  • webs are advantageously attached which conduct the current between the coil disk and the contact piece.
  • the disc acting as a coil can be produced in a simple manner, for example as a cast part, stamped part or also as a stamped and stamped part.
  • the radial and azimuthal current conductors of the disk forming the coil can consist of a different number of conductor elements. For example, for shutdown currents up to approx. 40 kA, at least three, preferably four, elements will be necessary. For shutdown currents above approx. 40 kA, however, six or more elements are preferably required. In the event that, for example, two circular cutouts are lined up directly in the disk, the individual radial and azimuthal current conductors can also consist of at least three, preferably four, elements for switch-off currents above approximately 40 kA.
  • the webs at the ends of the current conductors can have triangular or square bases.
  • Such webs can be separate, non-cutting sheets made of electrically highly conductive material; but they can also be directly molded from the disc.
  • a spacer made of poorly electrically conductive material can be arranged on the disc opposite the web in order to improve the mechanical stability.
  • the contact pieces and the optional contact piece supports have at least the same number of radial slots corresponding to the number of circular recesses in the disk, which serve to suppress eddy currents. However, these slots do not coincide with the slots in the coil former, but rather run over the edges of the webs facing away from the slots.
  • the actual contact piece consists in a known manner of a material based on copper and chrome.
  • the contact piece is preferably rounded at its edges towards the button.
  • the first exemplary embodiment has a division into four and is designed for currents up to approximately 40 kA, with no contact piece support being present here.
  • the second exemplary embodiment has a six division and is designed for currents above approximately 40 kA, a contact piece support being provided as an example in this embodiment.
  • the third embodiment is also provided for cutoff currents above 40 kA.
  • 10 denotes a contact pin which carries two disks 20 and 40 lying one above the other.
  • the upper disk 40 realizes the contact piece, which consists of a material based on copper and chromium (CuCr) and has strongly rounded edges 42 on the outer diameter.
  • the contact piece 40 can be soldered to a copper base, which will be discussed later.
  • the CuCr disk 40 is soldered and electrically connected to the disk 20 underneath, which is designed as a coil for generating an axial magnetic field, via copper webs 50. Spacers 60 are present opposite the web 50.
  • a metallic support body 70 made of electrically poorly conductive material is arranged between the contact pin 10, the coil disk 20 and the contact piece 40. This ensures that the current flow during the switch-off process predominantly flows over the radial and azimuthal current conductors provided for generating the magnetic field as coil arms.
  • the geometric design of the coil disk 20 is shown in detail in FIG 2.
  • the circular disc 20 has a diameter of approximately 75 mm.
  • Tangential slots 22 run from the periphery of the disk 20 to the recesses 21, an angle of less than 90 ° (acute angle) being formed in each case by the slot 22 and the tangent to the periphery of the disk 20.
  • a further recess 23 is made centrally in the disk 20, the diameter of which is adapted to the support body.
  • the disk 20 By shaping the disk 20 in this way, four identical current conductors 24 are formed, each extending initially radially and then azimuthally starting from the circumference of the recess 23.
  • the special arrangement of the cutouts 21 and the webs 22 means that the current conductors 24 have a continuously changing cross section over the entire area.
  • the section end of the current conductors 24 delimited by the slots 22 is designated by 25.
  • the webs 50 according to FIG. 1 are applied, for example soldered, to these approximately triangular regions 25.
  • Spacers 60 according to FIG. 1 are introduced into corresponding recesses 26 on the other side of the slots, thereby ensuring adequate mechanical stability. By selecting the material of the spacers 60, care is taken to ensure poor electrical conductivity.
  • FIG. 3 there are also slots 41 in the contact disk 40 lying above the coil disk 20.
  • the number of slots 41 corresponds to the number of circular recesses 21 with tangential slots 22, the slots 41 of the contact disk 40 extending through corresponding azimuthal orientation of the disks 20 and 40 relative to one another in such a way that they bridge the web areas 25 on the slots 22 of the coil disk 20 limit opposite side.
  • the described configuration of the coil disk 20 ensures that the current flows in each case with radial and azimuthal components from the contact pin 10 via the disk 20 and the webs 50 into the actual contact piece 40, so that an axial magnetic field component is generated. It has been shown that a high continuous current carrying capacity of the contact arrangement is ensured in the construction of the contacts shown. The formation of eddy currents in the contact pieces 40 is effectively prevented by the slots 41 located therein.
  • a and B mean two contacts of identical construction according to FIGS. 1 to 3 described above, which can be displaced in the axial direction and thus can establish or interrupt an electrical contact.
  • the contacts are in turn made up of bolts 10a and b of the coil disk 20a and b and the contact disk 40a and b.
  • the contact bolt 10a or b tapers here with its portion 11a or b to the disk 20a or b.
  • the two contacts A and. B are oriented azimuthally in FIG. 4 in such a way that the respective circular recesses 21 in the disks 20a and b are congruent with one another in the axial direction, the associated tangential slots 22, on the other hand, only face one another on the outer diameter of the disks 20a and b. This inevitably means that the slots 41a and 41b in the contact pieces 40 of both contacts A and B each enclose an angle.
  • FIGS. 5 to 8 the same reference numerals are used in principle as in FIGS. 1 to 4. From the sectional view according to FIG. 5 it follows that a contact piece pad 30 is additionally arranged here between the coil disk 20 and the contact disk 40. which is used for heat dissipation. The disks 30 and 40 are soldered together.
  • a larger disk with six sections is selected for higher currents.
  • six circular recesses 21 of approximately 20 mm in diameter are made on a disc 20 of approximately 100 mm in diameter on a circle which is concentric with the circumference and has half the disc diameter, and tangential slots 22 approach from the diameter of the circle.
  • the slots 22 in turn form an acute angle with an amount of less than 90 ° with the tangent to the circumference of the disk 20.
  • Such a configuration forms six current conductors 24, each with a radial and an azimuthal region, the surface of the current conductor again continuously changing over the entire region.
  • an angular surface 25 is formed, on which the web 50 according to FIG. 5 is located.
  • the spacers 60 made of poorly conductive material are again present in order to ensure mechanical stability in recesses 26.
  • slots 41 and 31 in the CrCu contact disk 40 and additionally in the contact piece support 30 present here the disks 30 and 40 being oriented on the coil disk 20 in such a way that the slots 31 and 41 are each the one Limit slots 22 on the opposite side of the web area 25.
  • the contact arrangements described can be used for currents of different heights.
  • the contact arrangement according to FIGS. 1 to 4 is suitable for currents up to approximately 40 kA and the contact arrangement according to FIGS. 5 to 8 is suitable for currents above approximately 40 kA.
  • 9 shows that two circular cutouts 21 can also be arranged in groups in a coil disk 20. In total, only four total recesses are necessary with a high current carrying capacity. From one side of the cutouts, slots 22 are again brought into the cutouts 21 at an acute angle with the tangent to the circumference of the circle.
  • the end region of the current conductors 24 for the webs 50 results here in an approximately trapezoidal shape with 25.
  • Corresponding support bodies made of electrically poorly conductive material are provided in depressions 26.
  • the overlying contact disk 40 or contact piece support 30 in turn has corresponding slots 31 and 41, each delimiting the other web side.
  • the dimensions of the contacts with the contact piece 40 and the coil disk 20 behind it can be varied.
  • the ratio of the overall diameter to the diameter of the circular recesses 21 is advantageously between 3: 1 and 6: 1. Tests have shown that with such a dimensioning an optimized axial magnetic field is achieved.

Landscapes

  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter, mit zwei koaxial einander gegenüber angeordneten und in ihrer Achsrichtung relativ zueinander verschiebbaren Kontakten, die aus je einem scheibenförmigen Kontaktstück mit Kontaktfläche sowie aus einer dahinter im Abstand liegenden Scheibe aus elektrisch gut leitendem Material bestehen, welche letztere direkt mit einem zentralen Stromzuführungsbolzen verbunden sind und durch ihre Formgebung mit kreisförmigen Aussparungen und Schlitzen radial und azimutal verlaufende Stromleiter und dadurch Mittel zur Erzeugung von axialen Magnetfeldern realisieren, wobei der Strom vom Stromzuführungsbolzen über die Stromleiter zum Kontaktstück geführt wird. Gemäß der Erfindung laufen die Schlitze (22) vom Umfang der Scheibe (20) ausgehend tangential an die kreisförmigen Aussparungen (21), werden von den Schlitzen und Aussparungen jeweils Stege (50) zur Stromführung zwischen Scheibe (20) und Kontaktstück (40) begrenzt und sind die einander gegenüber angeordneten Kontakte (A, B) azimutal derart orientiert, daß bei den gegenüberliegenden Scheiben (20a, 20b) die kreisförmigen Aussparungen (21) in Achsrichtung deckungsgleich sind, die zugehörigen tangentialen Schlitze (22) dagegen nur am Außendurchmesser der Scheiben (20) einander gegenüber stehen. Vorzugsweise bilden die Schlitze (22) mit der Tangente am Umfang der Scheibe (20a, 20b) einen spitzen Winkel. Die beschriebenen Kontakte lassen sich kostengünstig herstellen, wobei bei der gewählten azimutalen Zuordnung der Kontakte das axiale Magnetfeld im Kontaktspalt nur wenig geschwächt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter, mit zwei koaxial einander gegenüber angeordneten und in ihrer Achsrichtung relativ zueinander verschiebbaren Kontakten, die je aus einem scheibenförmigen Kontaktstück mit Kontaktfläche sowie wenigstens aus einer dahinter im Abstand liegenden Scheibe aus elektrisch gut leitendem Material bestehen, welche letztere direkt mit einem zentralen Stromzuführungsbolzen verbunden sind und durch ihre Formgebung mit kreisförmigen Aussparungen und Schlitzen radial und azimutal verlaufende Stromleiter und dadurch Mittel zur Erzeugung von axialen Magnetfeldern realisieren, wobei der Strom vom Stromzuführzungsbolzen über die Stromleiter zum Kontaktstück geführt wird.
  • Vakuumschalter erlangen zunehmend Bedeutung für hohe Ausschaltströme. Bei hohen Schaltströmen tritt aber folgendes Problem auf: Infolge des Eigenmagnetfeldes der Stromschienenanschlüsse und der Kontaktform treten hohe Kräfte gegen das Lichtbogenplasma auf, die das Plasma aus dem Kontaktspalt zur Schaltkammerwand herausdrücken und die Lichtbogenansatzpunkte an den äußeren Schaltkontaktumfang verlagern, wobei sie dort festbrennen können. Diese Tatsache hat zur Folge, daß durch thermische Überbelastung der betreffenden Kontaktflächen ein Nachglühen bzw. eine thermische Emission sowie durch thermische Emission ein Wiederzünden des Lichtbogens nach dem Nulldurchgang des sinusförmigen Wechselstromes erfolgen kann, wodurch ein sicheres Löschen bzw.Abschalten des Stromes nicht mehr gegeben ist. Gleichermaßen ist damit eine starke örtliche Aufschmelzung des Kontaktstückes mit hohen Abbrandverlusten verbunden.
  • Es sind bereits Kontaktformen vorgeschlagen worden, die durch besondere Formgebung oder Stromführung in der Nähe der Schaltkontaktfläche Magnetfelder erzeugen. Beispielsweise können radiale Magnetfelder auf den Lichtbogen eine Kraftwirkung ausüben und diesen zu einer schnellen azimutalen Umlaufbewegung auf der Kontaktoberfläche veranlassen. Gleichzeitig kann bei Strömen oberhalb von etwa 20 kA das Lichtbogenplasma aus dem Kontaktspalt herausgedrückt werden, weswegen bei diesen hohen Strömen axiale Magnetfelder vorteilhaft sind.
  • Die Parameter des axialen Magnetfeldes sind im wesentlichen von der konstruktiven Ausbildung des zugehörigen Spulenkörpers abhängig. Bekannte Kontaktformen für selbsterzeugende Axialmagnetfelder sind meist aus bogen-oder hakenförmig gebogenen Spulenelementen zusammengesetzt.
  • Beispielsweise ist aus der DE-PS 24 43 141 eine Kontaktanordnung bekannt, bei der jeder Kontakt aus einem Kontaktstück und einer dahinterliegenden Spule besteht, welche letztere mit etwa speichenförmigen Armen als erste Leiterabschnitte und daran angesetzten ringförmigen Bereichen als zweite Leiterabschnitte ausgebildet sind. Die zweiten Leiterabschnitte schließen sich jeweils im Bereich des größten Abstandes des ersten Leiterabschnittes von der Mittelachse an und verlaufen im gleichen Richtungssinn auf einem Kreisbogen, der sich annähernd parallel zum Außenumfang des einen Kontaktstückes bis zu einem spaltförmigen Abstand zum jeweils benachbarten ersten Leitungsabstand erstreckt und dort in einen dritten Leiterabschnitt übergeht.
  • Bei dieser bekannten Anordnung stehen in beiden Kontakten die Spulenkörper mit den Leiterabschnitten einander fluchtend -gegenüber. Die Herstellung der Kontakte mit den zugehörigen Spulenelementen ist vergleichsweise aufwendig, wobei eine derartige Anordnung mechanisch nicht sehr stabil ist.
  • Aus der DE-OS 32 15 020 ist daneben eine Kontaktanordnung bekannt, bei welcher hinter dem eigentlichen Kontaktstück Leiterabschnitte enthalten sind, in denen zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes in der Kontaktanordnung Teilströme in radialer Richtung sowie in Umfangsrichtung geführt sind, wobei die Kontakte in Umfangsrichtung aneinandergereihte querschnittsvermindernde Aussparungen enthalten und wobei die zwischen den Aussparungen verbleibenden Stege radial verlaufende Leiterabschnitte bilden. Dabei sind die gleich ausgebildeten Kontakte zu einer Kontaktanordnung derart um die Längsachse verdreht eingebaut, daß jeweils eine Aussparung des einen Kontaktes einem Steg des anderen Kontaktes gegenübersteht und diesen überdeckt. Dadurch sollen Kontaktflächen zwischen den Aussparungen sowie der Peripherie der Kontakte gebildet werden, wobei zur Begrenzung eines Leiterabschnittes in Umfangsrichtung von jeder Aussparung ein Spalt zum Kontaktrand hinführt. Angesetzt sind die sich deckenden Spalte der Kontakte dort, wo die Aussparungen sich überschneiden, um eine Kontaktöffnung in radialer Richtung zu erreichen. Als Aussparungen können bei dieser Kontaktanordnung beispielsweise kreisförmige Durchbohrungen vorgesehen sein. Die zueinander gerichteten Kontaktflächen der beiden Kontakte müssen mit einem für Vakuumschalter geeigneten Kontaktmaterial versehen sein, wozu eine dünne Scheibe bzw. eine Schicht auf die beschriebene Anordnung aufgebracht werden soll.
  • Aus der konstruktiven Gestaltung der Kontaktanordnung nach der DE-OS 32 15 020 ist entnehmbar, daß während eines Schaltvorganges das axiale Magnetfeld an Wirksamkeit verliert, da das im Kontaktspalt entstehende Plasma zum Kurzschluß zwischen den zentralen hochleitfähigen Stromzuführungsbolzen führen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Kontaktanordnung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß sie hinsichtlich der Erzeugung eines axialen Magnetfeldes noch wirkungsvoller als die vorbekannten Anordnungen ist. Eine solche Anordnung soll einfach herstellbar sein, wobei insbesondere für hohe Ströme die Stabilität der Kontaktanordnung gegeben sein soll.
  • Die Aufgabe ist bei einer Kontaktanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schlitze vom Umfang der Scheibe ausgehend tangential an die kreisförmigen Aussparungen laufen und die einander gegenüber angeordneten Kontakte azimutal derart orientiert sind, daß von den Schlitzen und den Aussparungen jeweils Stege zur Stromführung zwischen Scheibe und Kontaktstück begrenzt werden und daß die einander gegenüber angeordneten Kontakte azimutal derart orientiert sind, daß die kreisförmigen Aussparungen der beiden gegenüberliegenden Scheiben in Achsrichtung deckungsgleich sind, die zugehörigen tangentialen Schlitze dagegen nur am Außendurchmesser der Scheiben einander gegenüber stehen. Vorzugsweise bilden die Schlitze mit der Tangente an den Umfang der Scheibe einen spitzen Winkel.
  • Aus der DE-PS 23 63 044 ist zwar ein Zweibereichskontakt bekannt, mit einem äußeren Hochstrombereich und einem inneren, herausragenden Bereich zur Führung des Nennstroms oder zum Abschalten kleiner Schaltströme, bei dem im Kontaktstück Schlitze vom äußeren Umfang tangential an den inneren Kontaktbereich hinlaufen, die sich an ihren Enden kreisförmig erweitem. Mit dieser Kontaktanordnung soll ein radiales Magnetfeld und damit ein tangentiales Umlaufen des Lichtbogens erreicht werden.
  • Bei der Erfindung ist vorteilhaft, daß bei den Scheiben die radialen und azimutalen Leiterelemente ihre Fläche stetig ändern und sich für die so gebildeten Spulenarme eine optimale Querschnittsänderung ergibt, womit der Verlauf des Magnetfeldes in gewünschter Weise unterstützt wird. Damit wird die gesamte zur Verfügung stehende Fläche für die Stromleitung optimal ausgenutzt. An den Enden der Leiterelemente sind vorteilhafterweise Stege angebracht, die den Strom zwischen Spulenscheibe und Kontaktstück führen. Die als Spule wirkende Scheibe kann in einfacher Weise hergestellt werden, beispielsweise als Gußteil, Stanzteil oder auch als Stanzprägeteil.
  • Je nach Anwendungszweck können die radial und azimutal verlaufenden Stromleiter der die Spule bildenden Scheibe aus einer unterschiedlichen Anzahl von Leiterelementen bestehen. Beispielsweise für Abschaltströme bis ca. 40 kA werden wenigstens drei, vorzugsweise vier, Elemente notwendig sein. Für Abschaltströme über ca. 40 kA werden dagegen vorzugsweise sechs oder mehr Elemente benötigt. Für den Fall, daß in der Scheibe beispielsweise zwei kreisförmige Aussparungen unmittelbar aneinandergereiht sind, können aber auch für Abschaltströme über ca. 40 kA die einzelnen radial und azimutal verlaufenden Stromleiter aus wenigstens drei, vorzugsweise vier, Elementen bestehen.
  • Die Stege an den Enden der Stromleiter können dreieckige oder viereckige Grundflächen haben. Solche Stege können separate, spanlos geformte Bleche aus elektrisch gutleitendem Material sein; sie können aber auch aus der Scheibe unmittelbar formgepreßt werden. Auf der anderen Seite des Schlitzes kann dem Steg gegenüberliegend auf der Scheibe ein Abstandsstück aus elektrisch schlecht leitendem Material zur Verbesserung der mechanischen Stabilität angeordnet sein.
  • Zwischen Scheibe und dem eigentlichen Kontaktstück kann zusätzlich eine Kontaktstückunteriage aus elektrisch gut leitfähigem Material vorhanden sein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Kontaktstücke und die fakultativ vorhandenen Kontaktstückunterlagen eine entsprechend der Zahl der kreisförmigen Aussparungen in der Scheibe wenigstens gleiche Anzahl an radialen Schlitzen aufweisen, die zur Unterdrückung von Wirbelströmen dienen. Diese Schlitze decken sich aber nicht mit den Schlitzen in dem Spulenkörper, sondern verlaufen jeweils über den den Schlitzen abgewandten Kanten der Stege.
  • Das eigentliche Kontaktstück besteht in bekannter Weise aus einem Werkstoff auf der Basis von Kupfer und Chrom. Vorzugsweise ist das Kontaktstück an seinen Kanten zur Schaltfläche hin abgerundet.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
  • Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
    • FIG 1 einen Längsschnitt durch einen einzelnen Kontakt der Kontaktanordnung.
    • FIG 2 eine Draufsicht auf den Spulenkörper der FIG 1 längs der Linie 11-11 in FIG 1.
    • FIG 3 eine Draufsicht auf das Kontaktstück der FIG 1.
    • FIG 4 eine perspektivische Darstellung einer Gesamtkontaktanordnung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen azimutalen Orientierung beider Kontakte.
    • Die Figuren 5 bis 8 den Figuren 1 bis 4 entsprechende Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels und
    • FIG 9 die Draufsicht auf den Spulenkörper eines dritten Ausführungsbeispiels.
  • Das erste Ausführungsbeispiel weist eine Viererteilung auf und ist für Ströme bis ca. 40 kA .ausgelegt, wobei hier keine Kontaktstückunterlage vorhanden ist. Das zweite Ausführungsbeispiel hat eine Sechserteilung und ist für Ströme über ca. 40 kA ausgelegt, wobei bei dieser Ausführungsform beispielhaft eine Kontaktstückunterlage vorgesehen ist. Das dritte Ausführungsbeispiel ist ebenfalls für Abschaltströme über 40 kA vorgesehen.
  • In den Figuren sind identische bzw. gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In FIG 1 kennzeichnet 10 einen Kontaktbolzen, der zwei übereinanderliegende Scheiben 20 und 40 trägt. Die obere Scheibe 40 realisiert das Kontaktstück, die aus einem Werkstoff auf der Basis von Kupfer und Chrom (CuCr) besteht, und stark abgerundete Kanten 42 am Außendurchmesser hat. Zur besseren Wärmeableitung kann das Kontaktstück 40 auf eine Unterlage aus Kupfer verlötet sein, worauf später noch eingegangen wird. Über Kupferstege 50 ist die CuCr-Scheibe 40 auf die darunterliegende Scheibe 20, die als Spule zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes ausgebildet ist, angelötet und elektrisch verbunden. Dem Steg 50 gegenüberliegend sind Abstandsstücke 60 vorhanden. Weiterhin ist zwischen Kontaktbolzen 10, Spulenscheibe 20 und Kontaktstück 40 ein metallischer Stützkörper 70 aus elektrisch schlecht leitendem Material angeordnet. Dadurch ist gewährleistet, daß der Stromfluß während des Abschaltvorganges ganz überwiegend über die zur Erzeugung des Magnetfeldes vorgesehenen radialen und azimutalen Stromleiter als Spulenarme fließt.
  • Die geometerische Ausbildung der Spulenscheibe 20 ist im einzelnen aus FIG 2 ersichtlich. Die kreisförmige Scheibe 20 hat einen Durchmesser von etwa 75 mm. Auf der Kreisfläche sind in etwa in Radiusmitte symmetrisch verteilt vier identische, kreisförmige Aussparungen 21 eingebracht, die um jeweils 90° versetzt sind und einen Durchmesser von etwa 17,5 mm aufweisen. An die Aussparungen 21 laufen vom Umfang der Scheibe 20 ausgehend tangentiale Schlitze 22, wobei jeweils vom Schlitz 22 und der Tangente an den Umfang der Scheibe 20 ein Winkel mit einem Betrag von weniger als 90° (spitzer Winkel) gebildet wird. Zentrisch in der Scheibe 20 ist eine weitere Aussparung 23 eingebracht, deren Durchmesser an den Stützkörper angepaßt ist.
  • Durch eine solche Ausformung der Scheibe 20 werden vier identische Stromleiter 24 gebildet, die jeweils vom Umfang der Ausnehmung 23 ausgehend zunächst radial und dann azimutal verlaufen. Durch die spezielle Anordnung der Aussparungen 21 und der Stege 22 ergibt sich, daß die Stromleiter 24 über den gesamten Bereich eine sich stetig ändernden Querschnitt aufweisen. In FIG 2 ist jeweils das Abschnittsende der von den Schlitzen 22 begrenzten Stromleiter 24 mit 25 bezeichnet. Auf diesen in etwa dreiecksförmigen Bereichen 25 sind die Stege 50 gemäß FIG 1 aufgebracht, beispielsweise aufgelötet. Jeweils auf der anderen Seite der Schlitze sind in entsprechende Vertiefungen 26 Abstandsstücke 60 gemäß FIG 1 eingebracht, wodurch eine hinreichende mechanische Stabilität gewährleistet wird. Durch Auswahl des Materials der Abstandsstücke 60 wird für eine - schlechte elektrische Leitfähigkeit Sorge getragen.
  • Aus FIG 3 wird deutlich, daß auch bei dem über der Spulenscheibe 20 liegenden Kontaktscheibe 40 Schlitze 41 vorhanden sind. Die Anzahl der Schlitze 41 entspricht dabei der Anzahl der kreisförmigen Aussparungen 21 mit Tangentialschlitze 22, wobei durch entsprechende azimutale Orientierung der Scheiben 20 und 40 gegeneinander die Schlitze 41 der Kontaktscheibe 40 derart verlaufen, daß sie die Stegbereiche 25 auf der den Schlitzen 22 der Spulenscheibe 20 gegenüberliegenden Seite begrenzen. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ergibt sich dabei zwischen dem durch den Mittelpunkt der Aussparungen 21 führenden Radius und der Schlitzlinie jeweils ein Winkel von 22,5°, was in FIG 4 am Kontakt A angedeutet ist.
  • Durch die beschriebene Ausbildung der Spulenscheibe 20 wird erreicht, daß der Strom jeweils mit radialen und azimutalen Komponenten vom Kontaktbolzen 10 über die Scheibe 20 und die Stege 50 in das eigentliche Kontaktstück 40 fließt, so daß eine axiale Magnetfeldkomponente erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, daß bei dem dargestellten Aufbau der Kontakte eine hohe Dauerstromtragfähigkeit der Kontaktanordnung gewährleistet ist. Das Entstehen von Wirbelströmen in den Kontaktstücken 40 wird durch die darin befindlichen Schlitze 41 wirksam verhindert.
  • Um die axialen Magnetfeldkomponenten wirkungsvoll in einer Kontaktanordnung auszunutzen, ist eine geeignete azimutale Zuordnung der beiden Kontakte erforderlich. Diese wird aus der perspektivischen Darstellung nach FiG 4 deutlich: Es bedeuten A und B zwei an sich identisch aufgebaute Kontakte gemäß den oben beschriebenen Figuren 1 bis 3, die in Achsrichtung gegeneinander verschiebbar sind und somit einen elektrischen Kontakt herstellen oder unterbrechen können. Die Kontakte sind wiederum aus Bolzen 10a bzw. b Spulenscheibe 20a bzw. b sowie Kontaktscheibe 40a bzw. b aufgebaut. Der Kontaktbolzen 10a bzw. b verjüngt sich hier mit seinem Teilstück 11a bzw. b zur Scheibe 20a bzw. b.
  • Die beiden Kontakte A und. B sind in FIG 4 azimutal derart orientiert, daß die jeweiligen kreisförmigen Aussparungen 21 in den Scheiben 20a und b in Achsrichtung einander deckungsgleich sind, die zugehörigen tangentialen Schlitze 22 dagegen nur am Außendurchmesser der Scheiben 20a und b einander gegenüber stehen. Dadurch ergibt sich zwangsläufig, daß auch die Schlitze 41a und 41b in den Kontaktstücken 40 beider Kontakte A und B jeweils einen Winkel einschließen.
  • In den Figuren 5 bis 8 sind prinzipiell die gleichen Bezugszeichen wie in den Figuren 1 bis 4 verwendet. Aus der Schnittdarstellung nach FIG 5 ergibt sich, daß hier zwischen der Spulenscheibe 20 und der Kontaktscheibe 40 zusätzlich eine Kontaktstückunterlage 30 angeordnet ist. die zur Wärmeableitung dient. Die Scheiben 30 und 40 sind miteinander verlötet.
  • Bei der Ausführungsform nach FIG 6 ist für höhere Ströme eine größere Scheibe mit Sechserteilung gewählt. Auf eine Scheibe 20 von etwa 100 mm Durchmesser sind entsprechend FIG 2 auf einem konzentrisch zum Umfang liegenden Kreis mit halbem Scheibendurchmesser sechs kreisförmige Aussparungen 21 von etwa 20 mm Durchmesser eingebracht, an die vom Kreisdurchmesser ausgehend tangentiale Schlitze 22 heranlaufen. Die Schlitze 22 bilden wiederum einen spitzen Winkel mit einem Betrag von weniger al 90° mit der Tangente an den Umfang der Scheibe 20. Konzentrisch um den Mittelpunkt befindet sich eine weitere Aussparung 23, die aber in diesem Fall größer als die Aussparungen 21 ist. Durch eine derartige Ausbildung werden sechs Stromleiter 24 mit jeweils einem radialen und einem azimutalen Bereich gebildet, wobei sich wiederum jeweils die Fläche des Stromleiters über den gesamten Bereich stetig ändert. Vor der Begrenzung durch den Steg 22 wird eine Winkelfläche 25 gebildet, auf dem sich der Steg 50 gemäß FIG 5 befindet. Ganz entsprechend sind gegenüber sind wiederum zur Gewährleistung einer mechanischen Stabilität in Vertiefungen 26 die Abstandsstücke 60 aus - schlecht leitendem Material vorhanden.
  • Weiterhin sind gemäß FIG 7 in der CrCu-Kontaktscheibe 40 und zusätzlich in der hier vorhandenen Kontaktstückunterlage 30 Schlitze 41 bzw. 31 vorhanden, wobei die Scheiben 30 und 40 auf der Spulenscheibe 20 so orientiert wird, daß die Schlitze 31 bzw. 41 jeweils die den Schlitzen 22 gegenüberliegende Seite des Stegbereiches 25 begrenzen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich dabei zwischen dem durch den Mittelpunkt der Aussparungen 21 führenden Radien und den Schlitzlinien jeweils ein Winkel von 15°, was in FIG 8 am Kontakt A angedeutet ist.
  • Die azimutale Orientierung der Kontaktanordnung mit zwei an sich gleichen Kontakten A und B ergibt sich aus FIG 8. Dargestellt sind Kontaktbolzen 10a bzw. b, Spulenscheibe 20a bzw. b, Kontaktstückunterlage 30a bzw. b und Kontaktstück 40a bzw. b.
  • Aufgrund des Durchmessers der Kontakte einerseits und der Größe und Anzahl der Aussparungen andererseits ergibt sich die Verwendbarkeit der beschriebenen Kontaktanordnungen für unterschiedlich hohe Ströme. So ist die Kontaktanordnung gemäß den Figuren 1 bis 4 für Ströme bis ca. 40 kA und-die Kontaktanordnung gemäß den Figuren 5 bis 8 für Ströme über ca. 40 kA geeignet. Aus FIG 9 ergibt sich, daß in eine Spulenscheibe 20 auch jeweils zwei kreisförmige Aussparungen 21 gruppenweise aneinandergereiht werden können. Insgesamt sind dabei bei hoher Stromtragfähigkeit nur vier Gesamtaussparungen notwendig. Von einer Seite der Aussparungen werden jeweils wieder unter spitzem Winkel mit der Tangente an den Kreisumfang Schlitze 22 an die Aussparungen 21 herangebracht. Der Endbereich der Stromleiter 24 für die Stege 50 ergibt sich hier in etwa trapezförmig mit 25. Entsprechende Stützkörper aus elektrisch schlecht leitendem Material sind in Vertiefungen 26 angebracht. Die darüberliegenden Kontaktscheibe 40 bzw. Kontaktstückunterlage 30 hat wiederum entsprechend Schlitze 31 und 41, die jeweils die andere Stegseite begrenzen.
  • Die azimutale Ausrichtung einer Kontaktanordnung mit Kontakten gemäß FIG 9 ergibt sich im wesentlichen entsprechend der FIG 4.
  • Die Abmessungen der Kontakte mit Kontaktstück 40 und dahinterliegender Spulenscheibe 20 können variiert werden. Bei der Spulenscheibe 20 liegt das Verhältnis des Gesamtdurchmessers zum Durchmesser der kreisförmigen Aussparungen 21 vorteilhaft zwischen 3:1 und 6:1. Versuche haben ergeben, daß bei derartiger Dimensionierung ein optimiertes axiales Magnetfeld erzielt wird.

Claims (15)

1. Kontaktanordnung für Vakuumschalter, mit zwei koaxial einander gegenüber angeordneten und in ihrer Achsrichtung relativ zueinander verschiebbaren Kontakten, die je aus einem - scheibenförmigen Kontaktstück mit Kontaktfläche und einer dahinter mit Abstand liegenden Scheibe aus elektrisch gut leitendem Material bestehen, welche letztere direkt mit dem zentralen Stromzuführungsbolzen verbunden sind und durch ihre Formgebung mit kreisförmigen Aussparungen und Schlitzen radiäl und azimutal verlaufende Stromleiter und dadurch Mittel zur Erzeugung von axialen Magnetfeldern realisieren, wobei der Strom vom Stromzuführungsbolzen über die Stromleiter der Scheibe zum Kontaktstück geführt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Die Schlitze (22) laufen vom Umfang der Scheibe (20) ausgehend tangential an die kreisförmigen Aussparungen (21),
b) von den Schlitzen (22) und den Aussparungen (21) werden jeweils Stege (50) zur Stromführung zwischen Scheibe (20) und Kontaktstück (40) begrenzt,
c) die einander gegenüber angeordneten Kontakte (A, B) sind azimutal derart orientiert, daß die kreisförmigen Aussparungen (21) der beiden gegenüberliegenden Scheiben (20a, 20b) in Achsrichtung deckungsgleich sind, die zugehörigen tangentialen Schlitze (22) dagegen nur am Außendurchmesser der Scheiben (20a, 20b) einander gegenüberstehen.
2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Schlitze (22) mit der Tangente an den Umfang der Scheibe (20) einen spitzen Winkel (L 90°) bilden.
3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß für Abschaltströme bis ca. 40 kA die einzelnen radial und azimutal verlaufenden Stromleiter (26) aus wenigstens drei, vorzugsweise vier, Elementen bestehen.
4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Abschaltströme über ca. 40 kA die einzelnen radial und azimutal verlaufenden Stromleiter (26) aus sechs oder mehr Elementen bestehen.
5. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Formung der radial und azimutal verlaufenden Stromleiter zwei oder mehrere kreisförmige Aussparungen (21) aneinandergereiht sind.
6. Kontaktanordnung nach Anspruch 5, wobei speziell zwei kreisförmige Aussparungen aneinandergereiht sind, dadurch gekennzeichnet, daß für Abschaltströme über ca. 40 kA die einzelnen und azimutal verlaufenden Stromleiter aus wenigstens drei, vorzugsweise vier, Elementen - (24) bestehen.
7. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Enden (25) der Stromleiter (24) angeordneten Stege (50) eine dreieckige oder viereckige Grundfläche (25) haben.
8. Kontaktanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (50) spanlos geformte Bleche aus elektrisch gut leitendem Werkstoff, z.B. Kupfer, sind, die auf die Scheibe (20) aufgelötet werden.
9. Kontaktanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (50) aus der Scheibe (20) formgepreßt sind.
10. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Scheibe (20) azimutal verteilte Abstandsstücke (60) vorhanden sind, die auf der anderen Seite der Schlitze (22) jeweils den Stegen (50) gegenüberliegen.
11. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (21) und Schlitze (22) aufweisenden Scheiben (20) Gußteile sind.
12. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Scheibe (20) und Kontaktstück (40) eine Kontaktstückunterlage (30) aus elektrisch gut leitfähigem Material angeordnet ist.
13. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke (40a, 40b) und gegebenenfalls die Kontaktstückunterlagen (30a, 30b) eine entsprechend der Zahl der kreisförmigen Aussparungen (21) in der Scheibe (20) wenigstens gleiche Anzahl an radialen Schlitzen (31, 41) zur Unterdrückung von Wirbelströmen aufweisen.
14. Kontaktanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Schlitze (31, 41) im Kontaktstück (40) und gegebenenfalls der Kontaktstückunterlage (30) über den den Schlitzen (22) abgewandten Kanten der Stege (50) verlaufen.
15. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktstück (40) am Umfang abgerundet ist und aus einem Werkstoff auf der Basis von Kupfer und Chrom (CuCr) besteht.
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