EP0238967A1 - Contact arrangement for a vacuum switch with an axial magnetic field, and method of making the assorted contacts - Google Patents

Contact arrangement for a vacuum switch with an axial magnetic field, and method of making the assorted contacts Download PDF

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EP0238967A1
EP0238967A1 EP87103789A EP87103789A EP0238967A1 EP 0238967 A1 EP0238967 A1 EP 0238967A1 EP 87103789 A EP87103789 A EP 87103789A EP 87103789 A EP87103789 A EP 87103789A EP 0238967 A1 EP0238967 A1 EP 0238967A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
arrangement according
contact arrangement
individual elements
circular
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP87103789A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Joachim Dipl.-Phys. Grosse
Rüdiger Dr. Dipl.-Phys. Hess
Wilfried Kuhl
Reiner Dipl.-Ing. Müller
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 EP0238967A1 publication Critical patent/EP0238967A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01H33/6642—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having cup-shaped contacts, the cylindrical wall of which being provided with inclined slits to form a coil
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/0203—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches
    • H01H1/0206—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches containing as major components Cu and Cr

Definitions

  • the invention relates to a contact arrangement for vacuum switches with an axial magnetic field, the contact pieces of which contain disk-shaped contact bodies, the contact bodies being soldered onto contact carriers and having means for reducing eddy currents.
  • the invention also relates to methods for producing the associated contact pieces.
  • DE-PS 24 43 141 describes a contact arrangement in which there are four hook-shaped radial and azimuthal current conductors for generating the axial magnetic field and the disk-shaped contact body is radially slotted to avoid eddy currents.
  • DE-OS 32 31 593 a structure of a contact from azimuthal current conductors is known, which are formed by multiple, same-way slitting of a pot contact, onto which a contact disk provided with radial slots is soldered as a contact body.
  • EP-A-00 55 008 shows the course of current conductors for magnetic field formation, the current in the contact disk often running in a meandering manner in the arc plane and the contact body being divided into several parts by wide slots.
  • a disadvantage of the prior art is that because of the wide radial slots in the contact surface facing the arc, cathode base points preferably attach to the edges thereof, which can lead to reignitions due to thermal overheating.
  • the slices of the disks can only be made up to about a third of the contact disk diameter in order to maintain the stability of the contact body. Because of the lack of slits in the central area of the contact disks, the angular currents flowing there remain fully effective.
  • the object of the invention is therefore to provide contacts for vacuum switches with an axial magnetic field, in which eddy currents and thus coupled axial residual magnetic fields are largely prevented in the current zero crossing without the need for disturbing slots on the contact surface of the contact body.
  • the contact bodies in axial field contact systems which bring about the desired reduction in the eddy currents in that several individual elements are attached to the contact carrier in such a way that they define conductivity jumps through the joints.
  • the entire contact disk is preferably composed of a plurality of disk segment-shaped disk segments of the same type, which are soldered onto the contact carrier which generates the axial field.
  • the individual segments can be produced by cutting or non-cutting shaping.
  • segments with circular sector-shaped cross-section can be produced from circular cylindrical blanks. Additional leaps in conductivity can be achieved in the individual segment by means of cores containing chrome arranged in a ring.
  • such veins further reduce the eddy currents.
  • CuCr blanks can also be specially shaped in an iron pipe by forward extrusion, so that an iron skin is produced on the circumference of the semi-finished product for the segments in the shape of a sector of a circle.
  • the CuCr blank can be coated with electrically poorly conductive materials (for example Fe, Ni, Co, Ti) prior to forming, so that there are increased jumps in conductivity between the segments.
  • a contact piece 1 of a vacuum switch consists of a pot-like contact carrier 2 with obliquely circumferential slot 3.
  • the counter-contact piece 1 ' has in the corresponding contact carrier 2' a slot 3 'in the same direction as the slot 3' in the axial direction so that an axial magnetic field is created by the current flow.
  • contact carrier 2 or 2 ' is a contact pin 4 or 4' made of copper or the like. guided.
  • a support body 5 or 5' made of poorly electrically conductive material, for example chrome / nickel steel in a double-T shape, is inserted.
  • a contact disk 10 or 10 'made of suitable contact material for example a CuCr material with 50% Cr.
  • the contact body usually consists of a disk into which slots are made, starting from the circumference and extending radially as far as possible to the center. The center of the disc 10 cannot be slotted to ensure sufficient stability of the entire contact piece.
  • the contact body 10 consists of six identical individual elements 11, each of which has a circular sector-shaped base area with radial edges 12 and 13 and a circular segment circumference 14, the edges 12 and 13 enclosing a center angle of 60 °.
  • the six individual elements 11 are assembled in such a way that they form a circular disk, two edges 12 and 13 each running parallel and forming radial joints 25.
  • the disc is expediently oriented azimuthally and soldered to the slotted contact carrier 2 that the radial joints 25 of the slit 3 and 3 'are assigned accordingly.
  • the individual segments 11 can be produced by cutting or non-cutting shaping.
  • the segments 11 are according to the radially extending edges 12 and 13 3 advantageously beveled, the bevel of each edge 13 and 15 to the vertical between 5 and 45 °, for example at 15 °, may be.
  • the joining together of two segments 11 with corresponding bevels results in a wedge open to the rear of the contact of, for example, approximately 30 °.
  • the wedge angle ⁇ between two adjacent segments 11 can be between 10 and 90 °. Wedge shapes with semicircular or square profiles are also possible.
  • the solder that is required for soldering the segments does not fill the parting lines between the segments 11. Although a continuous surface is formed on the surface of the contact body 10, a sufficient jump in conductivity is ensured at the same time by the rear wedges 15.
  • the jumps in conductivity at the joints can be reinforced by special manufacturing processes of the circular segments, which is explained with reference to FIGS. 4 to 6:
  • a cylindrical blank 100 can be produced using the arc remelting process.
  • the metallographic cross-sectional image of such a blank 100 shows that there are concentric chromium veins 105 to 107 which are normally undesirable for the production of contact materials which are as homogeneous as possible.
  • the chromium veins 105 to 107 are shown in FIGS. 4 to 6 by dashed lines. In practice, however, they are less clear and also uneven.
  • contact bodies 110 By separating into segments with a circular sector-shaped cross-section and assembling the segments into a circular disk, it is possible to manufacture contact bodies 110 in which there are radially tapering trapezoidal ring regions in the individual element 111, which are formed by the concentric chrome wires 105 to 107 on the one hand and the radial butt joints 125 of the segment edges 112 and 113 on the other hand.
  • Such a structure can optimally serve to localize the induced currents I R and thus compensate for the undesired eddy currents.
  • the wedge shape on the rear of the contact body according to FIG. 3 can be dispensed with because of the much poorer conductivity of the iron or the aluminum.
  • a CuCr blank in a modified manufacturing process, can be formed into a semi-finished product in the form of a sector of a circle in an iron pipe by full forward extrusion.
  • the segments separated therefrom have a poorly conductive iron skin due to the manufacturing process, which can also advantageously be used as a jump in conductivity in the sense of the above statements.
  • the same effect can be achieved by coating the blanks or semi-finished products with poorly conductive materials, for example iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co) or titanium (Ti).
  • the latter can take place in segments without forming according to FIG. 5 or also in segments with forming according to FIG. 6.
  • the invention was made above on a CuCr base material with a mass content of 30 to 60% chromium described as contact material. Contacts can also be produced in accordance with the invention with other material systems, for example based on CuW or CuMo.

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Abstract

Kontaktstücke für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld sind beispielsweise als Topfkontakte mit gleichsinniger Schlitzung ausgebildet, welche jeweils einen scheibenförmigen Kontaktkörper aus Kontaktmaterial enthalten und Mittel zur Unterdrückung von Wirbelströmen aufweisen. Bekannt ist dafür insbesondere das Einbringen von radialen Schlitzen in die Kontaktkörper. Gemäß der Erfindung besteht jedes Kontaktstück (10, 110, 210) aus mehreren Einzelelementen (11, 111, 211), die auf dem Kontaktträger (2) derart angebracht sind, daß ihre Kanten (12, 13; 112, 113; 212, 213) Stoßstellen (25, 125, 225) bilden und damit Leitfähigkeitssprünge zur Unterdrückung der Wirbelströme definieren. Speziell die Einzelsegmente (111, 211) können durch Umformen eines zylindrischen Rohlings (100) mit Kreisquerschnitt in Halbzeug mit kreissektorförmigem Querschnitt hergestellt werden.Contact pieces for vacuum switches with an axial magnetic field are designed, for example, as pot contacts with slot in the same direction, each containing a disk-shaped contact body made of contact material and having means for suppressing eddy currents. The introduction of radial slots into the contact bodies is known for this. According to the invention, each contact piece (10, 110, 210) consists of several individual elements (11, 111, 211) which are attached to the contact carrier (2) in such a way that their edges (12, 13; 112, 113; 212, 213 ) Form joints (25, 125, 225) and thus define jumps in conductivity to suppress eddy currents. In particular, the individual segments (111, 211) can be produced by reshaping a cylindrical blank (100) with a circular cross section into semifinished products with a circular sector cross section.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld, deren Kon­taktstücke scheibenförmige Kontaktkörper enthalten, wo­bei die Kontaktkörper auf Kontaktträger aufgelötet sind und Mittel zur Verminderung von Wirbelströmen aufweisen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf Verfahren zur Herstellung der zugehörigen Kontaktstücke.The invention relates to a contact arrangement for vacuum switches with an axial magnetic field, the contact pieces of which contain disk-shaped contact bodies, the contact bodies being soldered onto contact carriers and having means for reducing eddy currents. In addition, the invention also relates to methods for producing the associated contact pieces.

Mit der zunehmenden Verbreitung des Vakuumschaltprinzips im Mittelspannungsbereich wird die Beherrschung höherer Ausschaltströme gefordert. Auch Ströme oberhalb von 40 kA sollen sicher abgeschaltet werden, wobei zugleich angestrebt wird, die Außenabmessungen der Schaltröhre beizubehalten oder zu verkleinern. Es wurde eine Viel­zahl spezieller Kontaktgeometrien vorgeschlagen, die den Schaltstrom in der Nähe der Kontaktkörper in azimu­taler Richtung führen. Hierdurch wird während des Schal­tens zwischen den Kontaktstücken ein axiales Magnetfeld erzeugt und so ein über die gesamte Kontaktfläche gleichmäßig diffus verteilten Schaltlichtbogen bewirkt.With the increasing spread of the vacuum switching principle in the medium-voltage range, the mastery of higher breaking currents is required. Currents above 40 kA should also be safely switched off, with the aim of maintaining or reducing the outer dimensions of the switching tube. A large number of special contact geometries have been proposed which carry the switching current in the azimuthal direction in the vicinity of the contact bodies. As a result, an axial magnetic field is generated during the switching between the contact pieces and thus causes a switching arc which is uniformly diffusely distributed over the entire contact surface.

Bei derartigen Kontaktkonfigurationen mit axialem Magnet­feld tritt generell folgendes Problem auf. Durch die zeitliche Änderung des Stromes in der azimutalen Strom­laufbahn werden in geschlossenen, ringförmigen Kontakt­ trägerböden, in scheibenförmigen Kontaktkörpern oder auch in Kontaktringen Wirbelströme induziert. Derartige Wir­belströme erzeugen Sekundär-Magnetfelder, welche das axiale Magnetfeld in der Amplitude schwächen und bezüg­lich seiner Phasenlage gegenüber dem durch den Schalter fließenden Strom verschieben. Die Phasenverschiebung des axialen Magnetfeldes bewirkt aber, daß während und nach dem Nulldurchgang des Stromes ein erhebliches axiales Restmagnetfeld erhalten bleibt. Dieses Magnetfeld verhindert das schnelle Abströmen der noch vorhandenen Ladungsträger aus dem Kontaktspalt und begünstigt ein unerwünschtes Wiederzünden des Lichtbogens.The following problem generally arises with such contact configurations with an axial magnetic field. Due to the temporal change in the current in the azimuthal current pathway are in closed, ring-shaped contact carrier floors, eddy currents induced in disc-shaped contact bodies or also in contact rings. Such eddy currents generate secondary magnetic fields which weaken the amplitude of the axial magnetic field and shift its phase position with respect to the current flowing through the switch. The phase shift of the axial magnetic field, however, has the effect that a considerable axial residual magnetic field is maintained during and after the zero crossing of the current. This magnetic field prevents the charge carriers that are still present from flowing rapidly out of the contact gap and promotes undesired re-ignition of the arc.

Vom Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur Vermeidung von Wirbelströmen bei Vakuumschaltern mit axialem Magnetfeld bekannt. Beispielsweise ist in der DE-PS 24 43 141 eine Kontaktanordnung beschrieben, bei der vier hakenförmig radial und azimutal verlaufende Stromleiter zur Erzeugung des axialen Magnetfeldes vor­handen sind und der scheibenförmige Kontaktkörper zur Vermeidung von Wirbelströmen radial geschlitzt ist. Wei­terhin ist aus der DE-OS 32 31 593 ein Aufbau eines Kon­taktes aus azimutalen Stromleitern bekannt, die durch eine mehrfache, gleichsinnige Schlitzung eines Topf­kontaktes gebildet werden, auf den eine mit radialen Schlitzen versehene Kontaktscheibe als Kontaktkörper aufgelötet ist. Darüber hinaus wird in der EP-A-00 55 008 der Verlauf von Stromleitern zur Magnet­feldausbildung dargestellt, wobei der Strom in der Kontaktscheibe vielfach mäanderhaft in der Lichtbogen­ebene verläuft und der Kontaktkörper durch breite Schlitze in mehrere Teile unterteilt ist.Various solutions for avoiding eddy currents in vacuum switches with an axial magnetic field are known from the prior art. For example, DE-PS 24 43 141 describes a contact arrangement in which there are four hook-shaped radial and azimuthal current conductors for generating the axial magnetic field and the disk-shaped contact body is radially slotted to avoid eddy currents. Furthermore, from DE-OS 32 31 593 a structure of a contact from azimuthal current conductors is known, which are formed by multiple, same-way slitting of a pot contact, onto which a contact disk provided with radial slots is soldered as a contact body. In addition, EP-A-00 55 008 shows the course of current conductors for magnetic field formation, the current in the contact disk often running in a meandering manner in the arc plane and the contact body being divided into several parts by wide slots.

In der Fachliteratur (beispielsweise IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems (1980), Seite 2079 bis 2085) wird ausgeführt, unter welchen Voraussetzungen Schlitze zur Wirbelstromvermeidung in der dem Licht­bogen ausgesetzten Kontaktscheibe erforderlich sind, wobei in der Praxis durchweg von der Notwendigkeit solcher Schlitze ausgegangen wird.The technical literature (for example IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems (1980), pages 2079 to 2085) explains under what conditions Slots are required to avoid eddy current in the contact disk exposed to the arc, and in practice the necessity of such slots is assumed.

Nachteilig beim Stand der Technik ist, daß wegen der breiten radialen Schlitze in der dem Lichtbogen zuge­wandten Kontaktoberfläche an deren Kanten bevorzugt Kathodenfußpunkte ansetzen, welche durch thermische Überhitzung zu Neuzündungen führen können. Darüber hinaus kann beim Stand der Technik die Schlitzung der Scheiben nur bis etwa einem Drittel des Kontaktschei­bendurchmessers erfolgen, um die Stabilität des Kon­taktkörpers zu erhalten. Wegen der fehlenden Schlitzung im zentralen Bereich der Kontaktscheiben bleiben die dort fließenden Winkelströme voll wirksam.A disadvantage of the prior art is that because of the wide radial slots in the contact surface facing the arc, cathode base points preferably attach to the edges thereof, which can lead to reignitions due to thermal overheating. In addition, in the prior art, the slices of the disks can only be made up to about a third of the contact disk diameter in order to maintain the stability of the contact body. Because of the lack of slits in the central area of the contact disks, the angular currents flowing there remain fully effective.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Kontakte für Vakuum­schalter mit axialem Magnetfeld zu schaffen, bei denen Wirbelströme und damit gekoppelte axiale Restmagnetfel­der im Stromnulldurchgang weitgehend verhindert werden, ohne daß störende Schlitze auf der Kontaktfläche des Kontaktkörpers angebracht werden müssen.The object of the invention is therefore to provide contacts for vacuum switches with an axial magnetic field, in which eddy currents and thus coupled axial residual magnetic fields are largely prevented in the current zero crossing without the need for disturbing slots on the contact surface of the contact body.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Spezielle Ver­fahren zur Herstellung der zugehörigen Kontaktstücke sind in den Ansprüchen 15 bis 17 angegeben.The object is achieved by the features of claim 1. Advantageous further developments are specified in the subclaims. Special processes for producing the associated contact pieces are specified in claims 15 to 17.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, in Axialfeld-­Kontaktsystemen solche Kontaktkörper einzusetzen, wel­che die angestrebte Verminderung der Wirbelströme da­durch bewirken, daß mehrere Einzelelemente auf dem Kontaktträger derart angebracht sind, so daß sie durch die Stoßstellen Leitfähigkeitssprünge definieren. Vor­ teilhaft ist dabei, daß in der Kontaktfläche selbst an den Stoßstellen nur dünne Spalte vorhanden sind, die bis ins Zentrum der Scheibe durchlaufen können und die gegenüber den vorbekannten Schlitzen die gleiche oder sogar eine bessere Wirkung gewährleisten. Vorzugsweise ist die gesamte Kontaktscheibe aus mehreren gleicharti­gen kreissektorförmigen Scheibensegmenten zusammenge­setzt, die auf dem Kontaktträger, der das Axialfeld erzeugt, aufgelötet sind. Durch eine Abschrägung der radial verlaufenden Kanten der Einzelelemente kann dabei rückseitig ein keilförmiger Querschnitt der radialen Stoßstellen gebildet sein.According to the invention, it is proposed to use such contact bodies in axial field contact systems which bring about the desired reduction in the eddy currents in that several individual elements are attached to the contact carrier in such a way that they define conductivity jumps through the joints. In front Part of it is that there are only thin gaps in the contact area even at the joints, which can pass to the center of the disk and which guarantee the same or even better effect than the previously known slots. The entire contact disk is preferably composed of a plurality of disk segment-shaped disk segments of the same type, which are soldered onto the contact carrier which generates the axial field. By tapering the radially running edges of the individual elements, a wedge-shaped cross section of the radial joints can be formed on the back.

Im Rahmen der Erfindung werden unterschiedliche Herstel­lungsverfahren für die Kontaktstücke vorgeschlagen: Beispielsweise lassen sich die einzelnen Segmente durch spanende oder spanlose Formung fertigen. Durch ein be­sonders angepaßtes Lichtbogenumschmelzverfahren von CuCr-Kontaktmaterial und nachfolgender Umformung lassen sich aus kreiszylindrischen Rohlingen Segmente mit kreissektorförmigen Querschnitt herstellen. Dabei können im einzelnen Segment zusätzliche Leitfähigkeitssprünge durch ringartig angeordnete, chromhaltige Adern erreicht werden. Derartige Adern bewirken in Ergänzung zum keil­förmigen Stoß zwischen den einzelnen Segmenten eine weitere Verringerung der Wirbelströme. Es ist aber auch möglich, die konzentrischen Chromadern im Rohling derart auszunutzen, daß sie nach dem Auftrennen in Kreis­sektorsegmente zusammen mit den Segmentkanten im Einzel­element trapezartige Ringabschnitte bilden.Different manufacturing methods for the contact pieces are proposed within the scope of the invention: for example, the individual segments can be produced by cutting or non-cutting shaping. Using a specially adapted arc remelting process of CuCr contact material and subsequent shaping, segments with circular sector-shaped cross-section can be produced from circular cylindrical blanks. Additional leaps in conductivity can be achieved in the individual segment by means of cores containing chrome arranged in a ring. In addition to the wedge-shaped joint between the individual segments, such veins further reduce the eddy currents. However, it is also possible to utilize the concentric chrome veins in the blank in such a way that, after separation into circular sector segments, they form trapezoidal ring sections together with the segment edges in the individual element.

Durch Hinzufügen von Eisen (Fe) bzw. Aluminium (Al) als weitere Komponenten zum Kontaktmaterial lassen sich auch gezielt Entmischungen von Fe bzw. Al zum Rand des Roh­linges hin erzeugen, die bei den aus den Einzelelemen­ten zusammengesetzten Scheiben ebenfalls Leitfähig­ keitssprünge bewirken. Dafür können CuCr-Rohlinge auch speziell in einem Eisenrohr durch Vorwärtsfließpressen umgeformt werden, so daß eine Eisenhaut am Umfang des Halbzeuges für die kreissektorförmigen Segmente erzeugt wird. Weiterhin kann der CuCr-Rohling vor der Umformung gezielt mit elektrisch schlecht leitfähigen Werkstoffen (beispielsweise Fe, Ni, Co, Ti) beschichtet werden, so daß verstärkte Leitfähigkeitssprünge zwischen den Segmenten entstehen.By adding iron (Fe) or aluminum (Al) as further components to the contact material, segregation of Fe or Al towards the edge of the blank can also be produced, which is also conductive in the disks composed of the individual elements cause leaps and bounds. For this purpose, CuCr blanks can also be specially shaped in an iron pipe by forward extrusion, so that an iron skin is produced on the circumference of the semi-finished product for the segments in the shape of a sector of a circle. Furthermore, the CuCr blank can be coated with electrically poorly conductive materials (for example Fe, Ni, Co, Ti) prior to forming, so that there are increased jumps in conductivity between the segments.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung erge­ben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen

  • FIG 1 eine Kontaktanordnung für ein Vakuumschaltgerät mit axialem Magnetfeld in Schnittdarstellung,
  • FIG 2 eine Draufsicht auf einen segmentierten Kontakt­körper zur Verwendung bei FIG 1,
  • FIG 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in FIG 2,
  • FIG 4 einen Querschnitt eines zylinderförmigen Rohlings aus Kupfer-Chrom-Schmelzwerkstoff,
  • FIG 5 ein daraus mit sechs kreissegmentartigen Einzel­elementen gefertigten Kontaktkörper und
  • FIG 6 ein aus dem Rohling gemäß FIG 4 durch Umformen hergestelltes kreissegmentartiges Einzelelement.
Further details and advantages of the invention result from the following description of figures of exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it
  • 1 shows a contact arrangement for a vacuum switching device with an axial magnetic field in a sectional view,
  • 2 shows a plan view of a segmented contact body for use in FIG. 1,
  • 3 shows a section along the line III-III in FIG. 2,
  • 4 shows a cross section of a cylindrical blank made of copper-chromium melting material,
  • 5 shows a contact body made therefrom with six circular segment-like individual elements and
  • 6 shows a circular segment-like individual element produced from the blank according to FIG. 4 by shaping.

In FIG 1 besteht ein Kontaktstück 1 eines Vakuumschal­ters aus einem topfartigen Kontaktträger 2 mit schräg umlaufender Schlitzung 3. Das Gegenkontaktstück 1′ weist in dem entsprechenden Kontaktträger 2′ eine ge­genüber der Schlitzung 3 gleichsinnige Schlitzung 3′ in Achsrichtung auf, so daß durch den Stromfluß ein axiales Magnetfeld entsteht. Zum Kontaktträger 2 bzw. 2′ ist ein Kontaktbolzen 4 bzw. 4′ aus Kupfer od.dgl. geführt. Im Kontaktträger 2 bzw. 2′ ist ein Stützkörper 5 bzw. 5′ aus elektrisch schlecht leitendem Material, beibeispielsweise Chrom/Nickel-Stahl in Doppel-T-Form, eingefügt.In Figure 1, a contact piece 1 of a vacuum switch consists of a pot-like contact carrier 2 with obliquely circumferential slot 3. The counter-contact piece 1 'has in the corresponding contact carrier 2' a slot 3 'in the same direction as the slot 3' in the axial direction so that an axial magnetic field is created by the current flow. For contact carrier 2 or 2 'is a contact pin 4 or 4' made of copper or the like. guided. In the contact carrier 2 or 2 ', a support body 5 or 5' made of poorly electrically conductive material, for example chrome / nickel steel in a double-T shape, is inserted.

Auf dieser Anordnung befindet sich beispielsweise eine Kontaktscheibe 10 bzw. 10′ aus geeignetem Kontaktma­terial, beispielsweise einem CuCr-Werkstoff mit 50 % Cr. Beim Stand der Technik besteht der Kontaktkörper übli­cherweise aus einer Scheibe, in die vom Umfang aus­gehend, radial soweit wie möglich zum Mittelpunkt ver­laufend Schlitze eingebracht sind. Das Zentrum der Scheibe 10 kann nicht geschlitzt werden, um eine hin­reichende Stabilität des gesamten Kontaktstückes zu gewährleisten.On this arrangement there is, for example, a contact disk 10 or 10 'made of suitable contact material, for example a CuCr material with 50% Cr. In the prior art, the contact body usually consists of a disk into which slots are made, starting from the circumference and extending radially as far as possible to the center. The center of the disc 10 cannot be slotted to ensure sufficient stability of the entire contact piece.

Aus FIG 2 ist ersichtlich, daß der Kontaktkörper 10 aus sechs gleichartigen Einzelelementen 11 besteht, welche jeweils eine kreissektorförmige Grundfläche mit radialen Kanten 12 und 13 und Kreissegmentumfang 14 haben, wobei die Kanten 12 und 13 einen Mittelpunktswinkel von 60 ° einschließen. Die sechs Einzelelemente 11 sind derart zusammengefügt, daß sie insgesamt eine Kreisscheibe bil­den, wobei zwei Kanten 12 und 13 jeweils parallel ver­laufen und radiale Stoßstellen 25 bilden. Die Scheibe ist zweckmäßigerweise azimutal derart orientiert und auf dem geschlitzten Kontaktträger 2 aufgelötet, daß die radialen Stoßstellen 25 der Schlitzung 3 bzw. 3′ ent­sprechend zugeordnet sind.From FIG. 2 it can be seen that the contact body 10 consists of six identical individual elements 11, each of which has a circular sector-shaped base area with radial edges 12 and 13 and a circular segment circumference 14, the edges 12 and 13 enclosing a center angle of 60 °. The six individual elements 11 are assembled in such a way that they form a circular disk, two edges 12 and 13 each running parallel and forming radial joints 25. The disc is expediently oriented azimuthally and soldered to the slotted contact carrier 2 that the radial joints 25 of the slit 3 and 3 'are assigned accordingly.

Die einzelnen Segmente 11 können durch spanende oder spanlose Formung hergestellt werden. Die Segmente 11 sind an den radial verlaufenden Kanten 12 und 13 gemäß FIG 3 vorteilhafterweise abgeschrägt, wobei die Schrä­gung jeder Kante 13 und 15 zur Senkrechten zwischen 5 und 45°, beispielsweise bei 15°, liegen kann. Durch das Zusammenfügen zweier Segmente 11 mit entsprechenden Abschrägungen entsteht dadurch ein zur Kontaktrückseite offener Keil von beispielsweise etwa 30°. Der Keil­winkel α zwischen zwei benachbarten Segmenten 11, kann zwischen 10 und 90° liegen. Es sind auch Keilformen mit Halbrund- oder Viereckprofil möglich.The individual segments 11 can be produced by cutting or non-cutting shaping. The segments 11 are according to the radially extending edges 12 and 13 3 advantageously beveled, the bevel of each edge 13 and 15 to the vertical between 5 and 45 °, for example at 15 °, may be. The joining together of two segments 11 with corresponding bevels results in a wedge open to the rear of the contact of, for example, approximately 30 °. The wedge angle α between two adjacent segments 11 can be between 10 and 90 °. Wedge shapes with semicircular or square profiles are also possible.

Beim Auflöten der Segmente 11 auf den Kontaktträger 1 bzw. den Stützkörper 5 gemäß FIG 1 füllt das Lot, das zum Auflöten der Segmente benötigt wird, die Trennfugen zwischen den Segmenten 11 nicht aus. Es ist zwar auf der Oberfläche des Kontaktkörpers 10 eine durchgehende Fläche gebildet, aber gleichzeitig durch die rückseiti­gen Keile 15 ein hinreichender Leitfähigkeitssprung gewährleistet.When the segments 11 are soldered onto the contact carrier 1 or the supporting body 5 according to FIG. 1, the solder that is required for soldering the segments does not fill the parting lines between the segments 11. Although a continuous surface is formed on the surface of the contact body 10, a sufficient jump in conductivity is ensured at the same time by the rear wedges 15.

Durch besondere Herstellungsverfahren der Kreissegmente lassen sich die Leitfähigkeitsprünge an den Stoßstellen noch verstärken, was anhand FIG 4 bis FIG 6 erläutert wird:The jumps in conductivity at the joints can be reinforced by special manufacturing processes of the circular segments, which is explained with reference to FIGS. 4 to 6:

Bei Verwendung von CuCr-Schmelzwerkstoffen kann ein zylinderförmiger Rohling 100 im Lichtbogen-Umschmelz­verfahren hergestellt werden. Das metallographisches Querschnittsbild eines solchen Rohlings 100 zeigt, daß konzentrische Chromadern 105 bis 107 vorliegen, die im Normalfall zur Herstellung möglichst homogenen Kontakt­werkstoffen eher unerwünscht sind. Die Chromadern 105 bis 107 sind in den Figuren 4 bis 6 durch Strichlierung dargestellt. Sie ergeben sich aber in der Praxis weniger deutlich und auch ungleichmäßig.When using CuCr melting materials, a cylindrical blank 100 can be produced using the arc remelting process. The metallographic cross-sectional image of such a blank 100 shows that there are concentric chromium veins 105 to 107 which are normally undesirable for the production of contact materials which are as homogeneous as possible. The chromium veins 105 to 107 are shown in FIGS. 4 to 6 by dashed lines. In practice, however, they are less clear and also uneven.

Durch Auftrennen in Segmente mit kreissektorförmigen Querschnitt und Zusammensetzen der Segmente zu einer Kreisscheibe lassen sich solche Kontaktkörper 110 fertigen, bei denen im Einzelelement 111 jeweils sich radial verjüngende trapezartige Ringbereiche vorlie­liegen, die von den konzentrischen Chromadern 105 bis 107 einerseits und den radialen Stoßfugen 125 der Segmentkanten 112 und 113 andererseits begrenzt werden. Eine solche Struktur kann in optimaler Weise zur Lo­kalisierung der induzierten Ströme IR und damit Kompen­sierung der unerwünschten Wirbelströme dienen.By separating into segments with a circular sector-shaped cross-section and assembling the segments into a circular disk, it is possible to manufacture contact bodies 110 in which there are radially tapering trapezoidal ring regions in the individual element 111, which are formed by the concentric chrome wires 105 to 107 on the one hand and the radial butt joints 125 of the segment edges 112 and 113 on the other hand. Such a structure can optimally serve to localize the induced currents I R and thus compensate for the undesired eddy currents.

Alternativ zu FIG 5 lassen sich durch eine Umformung des kreiszylinderförmigen Rohlings 100 zu einem Halbzeug mit kreissektorförmigen Querschnitt Einzelsegmente 211 mit ringartig angeordneten, chromhaltigen Adern 205 bis 207 herstellen, was in FIG 6 angedeutet ist. Sechs Einzelsegmente 211 bilden den gesamten scheibenförmi­gen Kontaktkörper 210. Insbesondere durch den Ring 205 am Umfang des Segmentes 211 kann somit zusammen mit einem ggfs. keilförmigen Stoß 225 zwischen den Einzel­segmenten 211 die Ausbildung von Wirbelströmen hin­reichend reduziert werden.As an alternative to FIG. 5, by reshaping the circular-cylindrical blank 100 into a semifinished product with a circular sector-shaped cross section, individual segments 211 with chrome-like cores 205 to 207 can be produced, which is indicated in FIG. Six individual segments 211 form the entire disc-shaped contact body 210. In particular, the ring 205 on the circumference of the segment 211, together with a possibly wedge-shaped joint 225 between the individual segments 211, can therefore sufficiently reduce the formation of eddy currents.

Auch bei stumpfen Stoß zwischen Einzelsegmenten, d.h. ohne keilförmigen Spalt, können bereits die Wirbelströme erheblich reduziert werden, da die beim Schaltvorgang überschmolzenen Stoßkanten durch Erstarrungsschwindung Risse zeigen. Diese erwünschte Rißbildung baut außerdem Schrumpfspannungen in der Kontaktscheibe ab, die ande­renfalls zu Verwerfungen in der Kontaktfläche führen können. Als zusätzlicher Vorteil speziell eines umge­formten Kontaktmaterials ergibt sich, daß aufgrund der Verformung des Werkstoff-Rohlings in Achsrichtung in dem aus den Einzelsegmenten 211 zusammengesetzten Kontakt­körper 210 axial ausgerichtete Cr-Dendrite vorhanden sind, die eine besonders hohe Abbrandfestigkeit und da­mit eine erhöhte thermische Belastbarkeit im Schalt­lichtbogen sicherstellen.Even in the event of a blunt joint between individual segments, ie without a wedge-shaped gap, the eddy currents can already be considerably reduced, since the joint edges melted during the switching process show cracks due to solidification shrinkage. This desired crack formation also reduces shrinkage stresses in the contact disk, which can otherwise lead to warping in the contact surface. An additional advantage, especially of a reshaped contact material, is that, due to the deformation of the material blank in the axial direction, axially aligned Cr dendrites are present in the contact body 210 composed of the individual segments 211 are that ensure a particularly high erosion resistance and thus an increased thermal load capacity in the switching arc.

Durch Zusatz von Eisen (Fe) und/oder Aluminium (Al) zur CrCu-Legierung läßt sich beim Lichtbogenumschmelzen sogar eine gezielte Entmischung von Fe bzw. Al am Rand des Rohlings erreichen. Diese Zone wirkt nach der Um­formung des Rohlinges zum Halbzeug mit kreissektorför­migen Querschnitt für die Einzelsegmente ähnlich wie eine Chrom-Ader, bewirkt aber in viel stärkerem Maße einen elektrischen Leitfähigkeitssprung. Insbesondere solche Segmente können stumpf aneinander gesetzt und mit dem Kontaktträger 2 und Stützkörper 5 verlötet werden.By adding iron (Fe) and / or aluminum (Al) to the CrCu alloy, even a selective demixing of Fe or Al at the edge of the blank can be achieved during arc melting. After the blank has been formed into a semifinished product with a circular sector-shaped cross-section for the individual segments, this zone acts similarly to a chrome wire, but to a much greater extent causes an electrical jump in conductivity. Such segments in particular can be butted against one another and soldered to the contact carrier 2 and support body 5.

Speziell bei letzterer Ausführungsform kann also wegen der wesentlich schlechteren Leitfähigkeit des Eisens oder des Aluminiums auf die Keilform an der Kontakt­körperrückseite gemäß FIG 3 verzichtet werden.In the latter embodiment in particular, the wedge shape on the rear of the contact body according to FIG. 3 can be dispensed with because of the much poorer conductivity of the iron or the aluminum.

In einem abgewandelten Herstellungsverfahren kann ein CuCr-Rohling in einem Eisenrohr durch Vollvorwärtsfließ­pressen zu kreissektorförmigem Halbzeug umgeformt wer­den. Die daraus abgetrennten Segmente haben herstellungs­bedingt eine schlecht leitfähige Eisenhaut, welche ebenfalls im Sinne obiger Ausführungen vorteilhaft als Leitfähigkeitssprung genutzt werden können. Die gleiche Wirkung kann durch Beschichtung der Rohlinge bzw. Halb­zeug mit schlecht leitfähigen Materialien, beispiels­weise Eisen (Fe), Nickel (Ni), Kobalt (Co) oder Titan (Ti) erzielt werden. Letzteres kann bei Segmenten ohne Umformung gemäß FIG 5 oder auch bei Segmenten mit Um­formung gemäß FIG 6 erfolgen.In a modified manufacturing process, a CuCr blank can be formed into a semi-finished product in the form of a sector of a circle in an iron pipe by full forward extrusion. The segments separated therefrom have a poorly conductive iron skin due to the manufacturing process, which can also advantageously be used as a jump in conductivity in the sense of the above statements. The same effect can be achieved by coating the blanks or semi-finished products with poorly conductive materials, for example iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co) or titanium (Ti). The latter can take place in segments without forming according to FIG. 5 or also in segments with forming according to FIG. 6.

Die Erfindung wurde vorstehend an einem CuCr-Basis­werkstoff mit einem Massengehalt von 30 bis 60 % Chrom als Kontaktmaterial beschrieben. Auch mit aus anderen Werkstoff-Systemen, beispielsweise auf CuW- oder CuMo-Basis, sind Kontakte gemäß der Erfindung herstell­bar.The invention was made above on a CuCr base material with a mass content of 30 to 60% chromium described as contact material. Contacts can also be produced in accordance with the invention with other material systems, for example based on CuW or CuMo.

Claims (17)

1. Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld, deren Kontaktstücke scheibenförmige Kontakt­körper enthalten, wobei die Kontaktkörper auf Kontakt­träger aufgelötet sind und Mittel zur Verminderung von Wirbelströmen aufweisen, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Kontaktkörper (10, 110, 210) aus mehreren Einzelelementen (11, 111, 211) besteht, die auf dem Kontaktträger (2) derart angebracht sind, daß ihre Kanten (12, 13; 112, 113; 212, 213) Stoß­stellen (25, 125, 225) bilden und damit Leitfähigkeits­sprünge zur Unterdrückung der Wirbelströme definieren.1. Contact arrangement for vacuum switches with an axial magnetic field, the contact pieces of which contain disc-shaped contact bodies, the contact bodies being soldered onto the contact carrier and having means for reducing eddy currents, characterized in that the contact body (10, 110, 210) consists of several individual elements (11, 111 , 211), which are attached to the contact carrier (2) such that their edges (12, 13; 112, 113; 212, 213) form joints (25, 125, 225) and thus define jumps in conductivity to suppress the eddy currents. 2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßstellen (25) der Einzelelemente (11) rückseitig einen Keil mit drei­eckigem, viereckigem oder konkaven Querschnitt bilden.2. Contact arrangement according to claim 1, characterized in that the joints (25) of the individual elements (11) form a wedge on the back with a triangular, square or concave cross section. 3. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11) an ihren Kanten (12, 13) rückseitig abgeschrägt sind, wobei die Abschrägung zur Senkrechten bezüglich der Kontaktfläche zwischen 5 und 45°, vorzugsweise bei 15°, liegt.3. Contact arrangement according to claim 2, characterized in that the individual elements (11) at their edges (12, 13) are chamfered on the back, the chamfer to the vertical with respect to the contact surface between 5 and 45 °, preferably at 15 °. 4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11, 111, 211) kreissektorförmig ausgebildet sind und gegeneinander jeweils radiale Stoßstellen (25, 125, 225) bilden.4. Contact arrangement according to claim 1, characterized in that the individual elements (11, 111, 211) are circular sector-shaped and each form radial butt joints (25, 125, 225). 5. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11, 111, 211) jeweils gleichartig sind.5. Contact arrangement according to claim 2, characterized in that the individual elements (11, 111, 211) are each of the same type. 6. Kontaktanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11, 111, 211) 60°-Kreissegmente sind und daß sechs Elemente (11, 111, 211) das scheibenförmige Kontaktstück (10, 110, 210) bilden.6. Contact arrangement according to claim 3, characterized in that the individual elements (11, 111, 211) are 60 ° circular segments and that six elements (11, 111, 211) form the disc-shaped contact piece (10, 110, 210). 7. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11, 111, 211) aus einem Werkstoff auf CuCr-Basis be­stehen.7. Contact arrangement according to claim 1, characterized in that the individual elements (11, 111, 211) consist of a material based on CuCr. 8. Kontaktanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der CuCr-Werkstoff einen Gehalt an Massenanteilen von 30 bis 60 % Cr, vor­zugsweise 50 % Cr hat.8. Contact arrangement according to claim 7, characterized in that the CuCr material has a mass fraction of 30 to 60% Cr, preferably 50% Cr. 9. Kontaktanordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß der CuCr-Werkstoff ein durch Lichtbogenumschmelzen hergestellter Werkstoff ist.9. Contact arrangement according to claim 7, characterized in that the CuCr material is a material produced by arc melting. 10. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder 7, da­durch gekennzeichnet, daß im Kon­taktkörper (10, 110, 210) Zusätze von Komponenten mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit als das Grund­material vorhanden sind.10. Contact arrangement according to claim 1 or 7, characterized in that in the contact body (10, 110, 210) additions of components with lower electrical conductivity than the base material are present. 11. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente aus einem CuCrFe-Werkstoff bestehen, wobei der Cu-Mas­sengehalt 50 bis 60 %, der Cr-Massengehalt 20 bis 50 % und der Fe-Massengehalt 5 bis 25 % beträgt.11. Contact arrangement according to claim 1, characterized in that the individual elements consist of a CuCrFe material, the Cu mass content 50 to 60%, the Cr mass content 20 to 50% and the Fe mass content 5 to 25%. 12. Kontaktanordnung nach Anspruch 7, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff zusätzlich Aluminium (Al) in geringen Mengen enthält.12. Contact arrangement according to claim 7, 10 or 11, characterized in that the material additionally contains aluminum (Al) in small amounts. 13. Kontaktanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem kreis­segmentartigen Einzelelement (111) die elektrisch schlechter leitende Komponente konzentrisch (105 - 107) zum Mittelpunkt des durch sechs Kreissegmente (111) ge­bildeten Kontaktkörpers (110) ausgeschieden ist und zu­sätzliche radiale Leitfähigkeitssprünge im Kontaktkörper (110) definiert.13. Contact arrangement according to claim 6, characterized in that in each segment-like individual element (111) the electrically poorly conductive component is concentric (105-107) to the center of the contact body (110) formed by six segment segments (111) and additional radial conductivity jumps in Contact body (110) defined. 14. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Einzelelement (211) die elektrisch schlech­ter leitende Komponente des Kontaktmaterials ringartig (205 - 207) ausgeschieden ist und dadurch insbesondere nahe dem Segmentumfang zusätzliche ringartige Leitfähig­keitssprünge definiert.14. Contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in each individual element (211) the electrically poorly conductive component of the contact material is excreted in a ring-like manner (205-207) and thereby defines additional ring-like conductivity jumps in particular near the segment circumference. 15. Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken für eine Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 4 bis 12 oder 14, bei dem Kontaktkörper aus kreissektorförmigen Einzelelementen auf Kontaktträger aufgelötet werden, wobei das Kontaktmaterial ein durch Lichtbogenumschmelzen hergestellter Werkstoff ist, da­durch gekennzeichnet, daß nach dem Lichtbogenumschmelzen eines zylindrischen Rohlings (100) mit kreisförmigem Querschnitt der Rohling (100) zu Halb­zeug (200) mit kreissegmentförmigem Querschnitt umge­formt wird, aus dem Einzelelemente (211), die axial ausgerichtete Cr-Dendrite aufweisen, abgetrennt werden.15. A method for the production of contact pieces of a contact arrangement according to claim 1 or any of claims 4 to 12 or 14, are soldered on the contact body of circular-sector-shaped individual elements on the contact support, said contact material is a manufactured by arc remelting material, as characterized by that after the arc remelting of a cylindrical blank (100) with a circular cross-section, the blank (100) is formed into a semi-finished product (200) with a circular segment-shaped cross-section, from which individual elements (211) which have axially aligned Cr dendrites are separated. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch ge­kennzeichnet, daß der CuCr-Rohling (100) in einem Eisenrohr durch Vollvorwärtsfließpressen zum Halbzeug umgeformt wird, wodurch das Halbzeug eine Deck­schicht aus Eisen (Fe) erhält.16. The method according to claim 15, characterized in that the CuCr blank (100) is formed in an iron tube by full forward extrusion to give the semi-finished product, whereby the semi-finished product receives an outer layer of iron (Fe). 17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch ge­kennzeichnet, daß der CuCr-Rohling (100) bzw. das Halbzeug mit einem Material geringerer elek­trischer Leitfähigkeit, beispielsweise Eisen (Fe), Nickel (Ni), Kobalt (Co) oder Titan (Ti) beschichtet wird.17. The method according to claim 15, characterized in that the CuCr blank (100) or the semifinished product is coated with a material of lower electrical conductivity, for example iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co) or titanium (Ti) becomes.
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