EP4367705B1 - Kontaktträger für vakuumschalter, vakuumschalter sowie herstellungsverfahren für einen kontaktträger - Google Patents

Kontaktträger für vakuumschalter, vakuumschalter sowie herstellungsverfahren für einen kontaktträger

Info

Publication number
EP4367705B1
EP4367705B1 EP22773166.8A EP22773166A EP4367705B1 EP 4367705 B1 EP4367705 B1 EP 4367705B1 EP 22773166 A EP22773166 A EP 22773166A EP 4367705 B1 EP4367705 B1 EP 4367705B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
powder
contact carrier
vacuum switch
carrier
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.)
Active
Application number
EP22773166.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4367705A1 (de
Inventor
Thomas Brauner
Hermann BÖDINGER
Frank Graskowski
Carsten Schuh
Kira Berdien WÜSTENBERG
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
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4367705A1 publication Critical patent/EP4367705A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4367705B1 publication Critical patent/EP4367705B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H11/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches
    • H01H11/04—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts
    • H01H11/048—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts by powder-metallurgical processes

Definitions

  • the present invention relates to a novel contact carrier for vacuum switches, a vacuum switch with such a contact carrier and a manufacturing method for a contact carrier.
  • radial or axial magnetic field contacts are used, particularly for switching off currents larger than a few kiloamperes.
  • the design, function, and operating principles of such contact elements in conventional construction are comprehensively described, for example, in the doctoral dissertation "Modeling of Plasma in Vacuum Circuit Breakers Considering Axial Magnetic Fields" by K. Jenkes-Botterweck, published in 2003 and available online at http://publications.rwth-aachen.de/record/58842 .
  • spiral contact In the case of the spiral contact, for example, it is revealed in DE102019216869A1 and in DE102017214805A1 , the required magnetic field is generated by the geometric design of the contact disc itself; with other contact designs, especially those also made, for example, from the DE102017214805A1 In the familiar pot contact, the magnetic field is shaped by an additional coil body on which the contact disc is placed.
  • FIG. 1 Figure 10 shows a conventional AMF contact 10 in schematic representation.
  • a contact carrier or coil body 11 carries a contact disc 12.
  • the contact carrier and contact disc have a plurality of inclined slots 13 distributed around the circumference, which are thus formed into the contact element. are introduced in such a way that they (together with the geometry of the corresponding counter-contact) cause the formation of an axial magnetic field and thus a large-area distribution of a resulting arc on the contact disc.
  • FIG. 2 Figure 1 shows a conventional RMF contact 20 in schematic representation.
  • a contact carrier or coil body 21 carries an annular contact disc 22.
  • the contact carrier 21 has a plurality of inclined slots 23 distributed around its circumference, which are incorporated into the contact body in such a way that they (together with the geometry of the corresponding mating contact) distribute the thermal load on the contacts caused by a rotation of the arc generated during switching operations around the longitudinal axis of the arrangement onto the contact discs.
  • the coil formers are preferably made from copper rod stock or pre-formed copper pellets.
  • the current flow control, and thus the magnetic field generation, through the coil former, which is often designed as a hollow cylinder, is achieved by the slots already mentioned.
  • a disadvantage of this method is that slotting the contact carrier or coil former significantly impairs its mechanical stability and often necessitates a support structure. Furthermore, the machining processes used to create the slots leave sharp edges and burrs that must be rounded or removed in additional steps to prevent injuries during handling of the coil formers and finished contact elements. Sharp edges and burrs can also lead to local increases in electric field strength, negatively impacting the dielectric strength of the vacuum interrupter. Additionally, burrs can detach under the influence of the electric field and/or mechanical vibration during switching operations, initiating an electrical breakdown in the vacuum interrupter.
  • a contact carrier in which a body wound in a helical shape or provided with helical recesses, made of a first material with lower electrical conductivity, is cast with a second material of higher conductivity and lower melting and casting temperature, wherein, in particular, the spaces between the helical turns or the recesses are cast.
  • the body made of the first material constitutes part of the mold for the second material.
  • a disadvantage of this is that the melting point of the first material must be significantly higher than that of the second material, and that the production of such a contact carrier is very time-consuming due to several sequential work steps.
  • WO 87/06052 A1 discloses a method for producing a contact carrier according to the preamble of claim 1.
  • the object of the present invention is therefore to provide a contact carrier for vacuum switches and a manufacturing method for such a contact carrier, thereby avoiding the described disadvantages.
  • a contact carrier for a vacuum switch, which consists predominantly of a first conductive material or composite material and has a plurality of indentations of a second material distributed around the circumference with lower conductivity than the first material or composite material, which, during a switching operation of the vacuum switch, cause the formation of a magnetic field and thus a movement of a generated arc on a predetermined path.
  • a material is inserted into the slot-shaped openings known from the prior art which has a lower conductivity than the material of the contact carrier, wherein the shape of the indentations is not limited to slots, but allows a significantly greater variety of shapes. This in turn enables optimizations of the magnetic field formation that are not possible or only achievable with very high effort using classical cutting or machining methods.
  • insert means that the introduction of the second material into the first material takes place during the shaping of the basic contact carrier form and not afterwards, i.e. not by making slots in a contact carrier which are then filled with the second material.
  • the first conductive material i.e., the material of the contact carrier base body, is copper.
  • stainless steel or another metal with significantly lower conductivity than copper is preferably used.
  • ceramics or ceramic-metal composites (cermets) are used as the second material.
  • a contact carrier according to the invention can, for example, be manufactured by additive manufacturing processes (3D printing), in particular by a two-component 3D printing process.
  • 3D printing is that the contact carrier, including the recesses, can be manufactured in a single operation, and even complex slot shapes can be realized that cannot be achieved with conventional machining processes, or only with great effort.
  • the present invention further relates to a vacuum switch, according to claim 7, with a vacuum chamber in which two contact elements are arranged, wherein at least one of the contact elements has a contact carrier according to the invention.
  • the present invention also relates to a method for producing a contact carrier according to the invention, which consists predominantly of a first material or composite material, as an alternative to 3D printing.
  • a contact carrier according to the invention which consists predominantly of a first material or composite material
  • one or more molded parts made of a second material with lower conductivity than the first material or composite material are placed in a powder bed or a press die.
  • the molded parts which mainly determine the shape of the contact carrier, are placed in the press die, and a powder or pre-pressed green parts of the first material are placed in the remaining cavities. Pressing pressure is then applied such that the contact carrier with the embedded or recessed molded parts is formed from the powder.
  • the powder is additionally subjected to an electric current.
  • the voltage injection points and the electrical powers injected are preferably chosen such that the currents flowing through the powder are approximately evenly distributed.
  • copper powder is used as the powder.
  • Stainless steel is preferably chosen as the second material.
  • the molded part(s) are preferably designed such that, after compression and sintering of the powder, they form recesses distributed around the circumference in the contact carrier, which, during a switching operation of the vacuum switch, cause the formation of a magnetic field and thus a movement of a resulting electric arc along a predetermined path.
  • FIG. 3 Figure 1 shows a coil former or contact carrier 31 of an AMF contact element for a vacuum switch 100, consisting of a first conductive material or composite material.
  • the first conductive material is preferably copper.
  • the contact disc is not shown for the sake of clarity in illustrating the present invention.
  • the contact disc or a contact disc area can be attached to the surface of the contact carrier 31 or, in further developments of the present invention, can be formed integrally with the contact carrier, specifically on the surface of the contact element, which is later intended to form the separable electrical connection of the vacuum switch.
  • the coil body 31 has a plurality of inclined surfaces distributed around its circumference, in the example of the Fig. 3 essentially slot-shaped recesses 33, into which a second material with lower electrical conductivity than the first material is inserted, such that the recesses (together with the geometry of the recesses or slots of the actual, in Fig. 3 (Contact disc not shown, as well as the corresponding counter-contact) cause the formation of an axial magnetic field and thus a large-area distribution of a resulting arc on the contact disc.
  • FIG. 4 Figure 1 shows a coil former or contact carrier 41 of an RMF contact element for a vacuum switch 100, consisting of a first conductive material or composite material.
  • the first conductive material is preferably copper.
  • the illustration of the contact disc was omitted for the sake of a clearer presentation of the present invention.
  • annular contact disc or an annular contact disc area can be attached to the surface of the contact carrier 41 or, in further developments of the present invention, be formed integrally with the contact carrier, namely on the surface of the contact element, which is later to form the separable electrical connection of the vacuum switch.
  • the coil body 41 has a plurality of inclined surfaces distributed around its circumference, in the example of the Fig. 4 essentially slot-shaped recesses 43, into which a second material with lower electrical conductivity than the first material is inserted, such that the recesses (together with the geometry of the recesses or slots of the corresponding mating contact) distribute the thermal load on the contacts by a rotation of the arc around the longitudinal axis of the arrangement onto the contact disks.
  • FIG. 5 Figure 1 shows a vacuum switching tube 100 with two contacts having contact carriers 31, 41 according to the present invention.
  • An RMF contact system with coil formers was shown purely as an example.
  • Fig. 4 shown in detail. In other embodiments, AMF contacts are used according to Fig. 3 or other contact forms designed in accordance with the present invention.
  • the vacuum switch 100 has a fixed connecting disc or a fixed connecting bolt 110 made of conductive material, preferably copper. This is connected to the coil body 31, 41 of a fixed contact. A movable contact is aligned parallel to the fixed contact and is supported by a movable connecting bolt 170. By axially moving the movable connecting bolt 170 in the direction of the fixed connecting bolt 110, the vacuum switch is closed; by moving it in the opposite direction, the vacuum switch is opened. The movable connecting bolt is guided in a guide 160.
  • the two contacts are arranged in a vacuum chamber 130, which is lined with a shield 140 and consists of a body 120 made of insulating material.
  • a metal bellows 150 together with the guide 160, serves to seal the vacuum chamber 130 from the environment in the area where the movable connecting bolt passes into the vacuum chamber.
  • One or more molded parts preferably made of stainless steel, which later form the recesses in the copper coil former, are placed in a die.
  • the position of the molded parts is determined by suitable means.
  • a molded part can be used in which the several, in the example of the Fig. 3 and Fig. 4
  • the plate-shaped recesses are connected to each other by narrow ribs that do not impair the later function, thus forming a ring-shaped molded part that retains its shape against the subsequent filling with powder.
  • molded parts largely corresponding to their final shape but protruding slightly beyond the later circumference of the contact element, can be inserted into corresponding recesses in the die.
  • the material of the molded parts protruding beyond the circumference can then be removed during the process.
  • the final surface treatment of the contact element will be removed.
  • Copper powder is filled into the spaces of the die and surrounding the molded parts, and subjected to uniaxial pressure via press rams.
  • the sample to be sintered is simultaneously subjected to an electric current in a series circuit via the press rams and the die.
  • the resulting Joule heating of the sample and/or the die leads to very rapid heating of the sample, thus enabling efficient sintering of the material.
  • the die can have an inner cylindrical body around which the coil body 31, 41 is at least partially formed.
  • the complete contact element can be manufactured by means of a sintering process by introducing a first powdery mixture comprising particles of a first conductive material and particles of a second conductive material, or a first pre-pressed, disc-shaped green body consisting of a composite of at least the first and the second conductive material, into a press die.
  • An inner press punch is inserted into the die, and the molded parts (as already described) are placed in a space between the die and the inner press punch.
  • a second powder of the first conductive material, or a second powdery mixture comprising particles of the first conductive material, or a second pre-pressed green body comprising the first conductive material is then introduced.
  • An outer press punch is inserted into the space between the die and the inner press punch. Pressing pressure is exerted on the outer and inner press punches such that a disc-shaped contact disc, the contact disc of the contact element, is formed from the first powdery mixture or the first green body. a forming area is created and from the second powder or the second powder-like mixture or the second green body a contact body or contact carrier 31, 41 of the contact element is formed with recesses 33, 43.
  • a contact carrier or contact element is available, the surfaces of which may require further processing depending on the desired quality, for example by polishing, to achieve a contact surface that is as flat and groove-free as possible.
  • the slotting of the coil former and the deburring of the slots are eliminated.
  • An advantage is that the sintered coil body or the sintered contact element is very close to the final contour, meaning that very little waste material is produced during the final processing.
  • the coil former from a composite material by adding, instead of pure copper powder, a suitable powder mixture of copper and another material which, in the sintered state, exceeds the strength of copper. This can also be done locally, i.e., for example, in areas of the coil former that are subject to particular mechanical and/or electrical stresses, such as the joints between the contact and the terminal bolt.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Manufacture Of Switches (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Kontaktträger für Vakuumschalter, einen Vakuumschalter mit einem derartigen Kontaktträger sowie ein Herstellungsverfahren für einen Kontaktträger.
  • In Vakuumschaltern bzw. Vakuumschaltröhren für den Nieder-, Mittel- und Hochspannungsbereich werden insbesondere zum Ausschalten von Strömen größer einiger Kiloampere sogenannte Radial- oder Axialmagnetfeld-Kontakte (RMF- bzw. AMF-Kontakte) eingesetzt. Aufbau, Funktion und Wirkprinzipien solcher Kontaktelemente in herkömmlicher Bauweise sind beispielsweise in der im Jahr 2003 veröffentlichten Dissertationsschrift "Modellierung des Plasmas im Vakuum-Leistungsschalter unter Berücksichtigung axialer Magnetfelder" von K. Jenkes-Botterweck, online verfügbar unter http://publications.rwth-aachen.de/record/58842, umfassend beschrieben.
  • Weit verbreitete Bauformen sind der Spiral- und der Topfkontakt. Beim Spiralkontakt, beispielsweise offenbart in DE102019216869A1 und in DE102017214805A1 , wird das erforderliche Magnetfeld durch die geometrische Gestaltung der Kontaktscheibe selbst erzeugt, bei anderen Kontaktformen, insbesondere beim ebenfalls beispielsweise aus der DE102017214805A1 bekannten Topfkontakt, wird das Magnetfeld durch einen zusätzlichen Spulenkörper geformt, auf welchen die Kontaktscheibe aufgesetzt ist.
  • Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen AMF Kontakt 10 in schematischer Darstellung. Ein Kontaktträger bzw. Spulenkörper 11 trägt eine Kontaktscheibe 12. Kontaktträger und Kontaktscheibe weisen eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen 13 auf, die so in das Kontaktelement eingebracht sind, dass sie (gemeinsam mit der Geometrie des entsprechenden Gegenkontakts) die Ausbildung eines axialen Magnetfeldes und somit eine großflächige Verteilung eines entstehenden Lichtbogens auf der Kontaktscheibe bewirken.
  • Fig. 2 zeigt einen herkömmlichen RMF-Kontakt 20 in schematischer Darstellung. Ein Kontaktträger bzw. Spulenkörper 21 trägt eine ringförmige Kontaktscheibe 22. Der Kontaktträger 21 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen 23 auf, die so in den Kontaktkörper eingebracht sind, dass sie (gemeinsam mit der Geometrie des entsprechenden Gegenkontakts) die thermische Belastung der Kontakte durch eine Rotation des bei Schaltvorgängen entstehenden Lichtbogens um die Längsachse der Anordnung auf den Kontaktscheiben verteilen.
  • Dabei werden die Spulenkörper vorzugsweise aus Kupfer-Stangenmaterial oder aus vorgeformten Kupfer-Presslingen gefertigt. Die Stromflusssteuerung und damit die Magnetfelderzeugung durch den häufig als Hohlzylinder ausgeführten Spulenkörper wird durch die bereits erwähnten Schlitze erreicht.
  • Nachteilig daran ist, dass die Schlitzung des Kontaktträgers bzw. Spulenkörpers dessen mechanische Stabilität erheblich beeinträchtigt und in vielen Fällen einen Stützkörper erforderlich macht. Zudem hinterlassen die spanenden Arbeitsverfahren, die zum Einbringen der Schlitze angewendet werden, scharfe Kanten und Grate, die in zusätzlichen Arbeitsschritten abgerundet bzw. entfernt werden müssen, um Verletzungen bei der Handhabung der Spulenkörper sowie der fertigen Kontaktelemente zu verhindern. Scharfe Kanten und Grate können zu ferner zu lokalen Überhöhungen der elektrischen Feldstärke führen und so die dielektrische Festigkeit der Vakuumschaltröhre negativ beeinflussen. Weiterhin kann sich Grat unter dem Einfluss des elektrischen Feldes und/oder durch mechanische Erschütterung bei den Schaltvorgängen ablösen und einen elektrischen Durchschlag in der Vakuumschaltröhre einleiten.
  • Aus der DE 33 02 595 A1 ist ein Kontaktträger bekannt, bei dem ein in Schraubenlinienform gewundener bzw. mit schraubenlinienförmigen Ausnehmungen versehener Körper aus einem ersten Werkstoff geringerer elektrischer Leitfähigkeit mit einem zweiten Werkstoff höherer Leitfähigkeit und geringerer Schmelz- und Gießtemperatur ausgegossen ist, wobei insbesondere die Räume zwischen den Schraubenwindungen bzw. die Ausnehmungen vergossen sind. Der aus dem ersten Werkstoff gefertigte Körper stellt dabei einen Teil der Gießform für den zweiten Werkstoff dar. Nachteilig daran ist, dass der Schmelzpunkt des ersten Werkstoffes deutlich über dem Schmelzpunkt des zweiten Werkstoffes liegen muss und dass die Fertigung eines solchen Kontaktträgers aufgrund mehrerer sequentieller Arbeitsschritte viel Zeit beansprucht.
  • Das Dokument WO 87/06052 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktträgers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kontaktträger für Vakuumschalter sowie ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Kontaktträger anzugeben, wodurch die beschriebenen Nachteile vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kontaktträger, gemäß Anspruch 6, eines Kontaktelements für einen Vakuumschalter, der überwiegend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstoff besteht und eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Einlassungen eines zweiten Materials mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstoff geringerer Leitfähigkeit aufweist, welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn bewirken.
  • Mit anderen Worten ist gemäß der vorliegenden Erfindung in die aus dem Stand der Technik bekannten schlitzförmigen Öffnungen ein Material eingelassen, das gegenüber dem Material des Kontaktträgers eine geringere Leitfähigkeit aufweist, wobei die Form der Einlassungen nicht auf Schlitze beschränkt ist, sondern eine deutlich größere Formenvielfalt erlaubt, wodurch wiederum Optimierungen der Magnetfeldbildung ermöglicht werden, die mit den klassischen schneidenden bzw. spanenden Verfahren nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar sind.
  • Mit "Einlassung" ist dabei gemeint, dass das Einbringen des zweiten Materials in das erste Material bereits während der Ausformung der Kontaktträgergrundform erfolgt und nicht nachträglich, also beispielsweise nicht, indem in einen Kontaktträger Schlitze eingebracht werden, die anschließend mit dem zweiten Material verfüllt werden.
  • In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist das erste leitfähige Material, also das Material des Kontaktträgergrundkörpers, Kupfer.
  • Für das in die Schlitze eingelassene Material wird bevorzugt Edelstahl oder ein anderes Metall mit deutlich geringerer Leitfähigkeit als Kupfer verwendet. In alternativen Ausgestaltungen werden Keramiken oder Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe (Cermets) als zweites Material genutzt.
  • Ein erfindungsgemäßer Kontaktträger kann beispielsweise durch additive Herstellungsverfahren (3D-Druck) hergestellt werden, insbesondere durch ein 2-Komponenten-3D-Druck-Verfahren. Der Vorteil des 3D-Drucks besteht darin, dass der Kontaktträger einschließlich der Einlassungen in einem Arbeitsgang gefertigt werden kann und auch komplexe Schlitzformen realisiert werden können, die mit herkömmlichen spanenden Arbeitsverfahren nicht oder nur mit großem Aufwand realisiert werden können.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Vakuumschalter, gemäß Anspruch 7, mit einer Vakuumkammer, innerhalb derer zwei Kontaktelemente angeordnet sind, wobei mindestens eines der Kontaktelemente einen erfindungsgemäßen Kontaktträger aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein zum 3D-Druck alternatives Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kontaktträgers, der überwiegend aus einem ersten Material oder Verbundwerkstoff besteht. Dabei werden ein oder mehrere Formteile aus einem zweiten Material mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstoff geringerer Leitfähigkeit in ein Pulverbett oder eine Press-Matrize eingebracht. Anschließend werden die die Form des Kontaktträgers hauptsächlich bestimmenden Formteile in die Press-Matrize eingebracht und in die verbleibenden Freiräume wird ein Pulver oder auch aus Pulver vorgepresste Grünteile des ersten Materials eingebracht. Anschließend wird ein Pressdruck so ausgeübt, dass aus dem Pulver der Kontaktträger mit den eingebetteten bzw. eingelassenen Formteilen entsteht.
  • Dabei wird das Pulver während des Pressvorgangs zusätzlich mit einem elektrischen Strom beaufschlagt.
  • Die Spannungseinspeisepunkte sowie die jeweils eingespeisten elektrischen Leistungen werden dabei bevorzugt so gewählt, dass die durch das Pulver fließenden Ströme annähernd gleichverteilt sind.
  • Vorzugsweise wird als Pulver ein Kupferpulver verwendet. Als zweites Material wird bevorzugt Edelstahl gewählt.
  • Das oder die Formteile sind vorzugsweise so gestaltet, dass sie nach Verpressung und Sinterung des Pulvers über den Umfang verteilte Einlassungen im Kontaktträger bilden, welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn bewirken.
  • Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass sämtliche vorstehend und nachfolgend offenbarten Varianten, Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele uneingeschränkt miteinander kombinierbar sind.
    • Fig. 3 zeigt den Kontaktträger eines AMF Kontakts gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in perspektivischer Darstellung;
    • Fig. 4 zeigt den Kontaktträger eines RMF Kontakts gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in perspektivischer Darstellung; und
    • Fig. 5 zeigt einen Vakuumschalter gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in partieller Schnittdarstellung.
  • Fig. 3 zeigt einen Spulenkörper bzw. Kontaktträger 31 eines AMF-Kontaktelements für einen Vakuumschalter 100 bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstoff. Das erste leitfähige Material ist dabei vorzugsweise Kupfer. Auf die Darstellung der Kontaktscheibe wurde im Sinne einer klareren Darstellung der vorliegenden Erfindung verzichtet.
  • Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Kontaktscheibe bzw. ein Kontaktscheibenbereich an der Oberfläche des Kontaktträgers 31 angebracht oder in Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung einstückig mit dem Kontaktträger ausgebildet sein kann, und zwar an der Oberfläche des Kontaktelements, die später die trennbare elektrische Verbindung des Vakuumschalters bilden soll.
  • Der Spulenkörper 31 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden, im Beispiel der Fig. 3 im Wesentlichen schlitzförmigen Einlassungen 33 auf, in die ein zweites Material mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit gegenüber dem ersten Material eingelassen ist, und zwar so, dass die Einlassungen (gemeinsam mit der Geometrie der Einlassungen oder Schlitze der eigentlichen, in Fig. 3 nicht dargestellten Kontaktscheibe sowie des entsprechenden Gegenkontakts) die Ausbildung eines axialen Magnetfeldes und somit eine großflächige Verteilung eines entstehenden Lichtbogens auf der Kontaktscheibe bewirken.
  • Fig. 4 zeigt einen Spulenkörper bzw. Kontaktträger 41 eines RMF-Kontaktelements für einen Vakuumschalter 100 bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstoff. Das erste leitfähige Material ist dabei wiederum vorzugsweise Kupfer. Auch in Fig. 4 wurde auf die Darstellung der Kontaktscheibe im Sinne einer klareren Darstellung der vorliegenden Erfindung verzichtet.
  • Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass eine ringförmige Kontaktscheibe bzw. ein ringförmiger Kontaktscheibenbereich an der Oberfläche des Kontaktträgers 41 angebracht oder in Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung einstückig mit dem Kontaktträger ausgebildet sein kann, und zwar an der Oberfläche des Kontaktelements, die später die trennbare elektrische Verbindung des Vakuumschalters bilden soll.
  • Der Spulenkörper 41 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden, im Beispiel der Fig. 4 im Wesentlichen schlitzförmigen Einlassungen 43 auf, in die ein zweites Material mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit gegenüber dem ersten Material eingelassen ist, und zwar so, dass die Einlassungen (gemeinsam mit der Geometrie der Einlassungen oder Schlitze des entsprechenden Gegenkontakts) die thermische Belastung der Kontakte durch eine Rotation des Lichtbogens um die Längsachse der Anordnung auf den Kontaktscheiben verteilen.
  • Fig. 5 zeigt eine Vakuumschaltröhre 100 mit zwei Kontakten mit Kontaktträgern 31, 41 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei wurde rein beispielhaft ein RMF-Kontaktsystem mit Spulenkörpern gemäß Fig. 4 detailliert dargestellt. In anderen Ausführungsbeispielen werden AMF-Kontakte gemäß Fig. 3 oder andere Kontaktformen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konzipiert sind, verwendet.
  • Der Vakuumschalter 100 weist eine feststehende Anschlussscheibe bzw. einen feststehenden Anschlussbolzen 110 aus leitfähigem Material, vorzugsweise aus Kupfer, auf. Dieser ist verbunden mit dem Spulenkörper 31, 41 eines feststehenden Kontakts. Ein beweglicher Kontakt ist planparallel zum feststehenden Kontakt ausgerichtet und wird von einem beweglichen Anschlussbolzen 170 getragen. Durch axiale Bewegung des beweglichen Anschlussbolzens 170 in Richtung des feststehenden Anschlussbolzens 110 wird der Vakuumschalter geschlossen, durch eine Bewegung in umgekehrter Richtung wird der Vakuumschalter geöffnet. Der bewegliche Anschlussbolzen wird dabei in einer Führung 160 geführt.
  • Dabei sind die beiden Kontakte in einer Vakuumkammer 130 angeordnet, die mit einem Schirm 140 ausgekleidet ist und aus einem Körper 120 aus isolierendem Material besteht. Ein Metallfaltenbalg 150 dient gemeinsam mit der Führung 160 der Abdichtung der Vakuumkammer 130 gegenüber der Umgebung im Bereich der Durchführung des beweglichen Anschlussbolzens in die Vakuumkammer.
  • Im folgenden wird ein bevorzugtes Herstellungsverfahren zur Herstellung der Kontaktträger bzw. Spulenkörper 31, 41 beschrieben.
  • Ein oder mehrere Formteile, vorzugsweise aus Edelstahl, die später die Einlassungen im kupfernen Spulenkörper bilden, werden in eine Matrize eingebracht. Die Lage der Formteile wird dabei durch geeignete Mittel festgelegt. Beispielsweise kann ein Formteil verwendet werden, bei dem die mehreren, im Beispiel der Fig. 3 und Fig. 4 plattenförmig dargestellten Einlassungen durch schmale, die spätere Funktion nicht beeinträchtigende Stege miteinander verbunden sind und so ein ringförmiges Formteil bilden, das gegenüber der folgenden Einfüllung von Pulver seine Form bewahrt.
  • Alternativ können mehrere Formteile, die ihrer endgültigen Form weitgehend entsprechen, aber etwas über den späteren Umfang des Kontaktelements herausragen, in entsprechenden Aufnahmen der Matrize eingesetzt werden. Das über dem Umfang hinausragende Material der Formteile kann dann im Zuge der finalen Oberflächenbearbeitung des Kontaktelements mit entfernt werden.
  • In die Zwischenräume der Matrize und die Formteile umgebend wird Kupferpulver eingefüllt und über Pressstempel mit einem uniaxial wirkenden Druck beaufschlagt. Erfindungsgemäß wird gleichzeitig über die Pressstempel und die Matrize die zu sinternde Probe von elektrischem Strom in einer Art Reihenschaltung durchflossen. Die so erzeugte Joulesche Erwärmung der Probe bzw. der Matrize führt zu einer sehr schnellen Aufheizung der Probe und ermöglicht so das effiziente Sintern des Werkstoffs.
  • Die Matrize kann einen inneren, zylindrischen Körper aufweisen, um den herum der Spulenkörper 31, 41 zumindest teilweise geformt wird.
  • In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das komplette Kontaktelement einschließlich der Kontaktscheibe mittels des Sinterverfahrens hergestellt werden, indem eine erste pulverartige Mischung aufweisend Partikel eines ersten leitfähigen Materials und Partikel des zweiten leitfähigen Materials oder ein erster vorgepresster, scheibenförmiger Grünkörper bestehend aus einem Verbund aus zumindest dem ersten und dem zweiten leitfähigen Material in eine Press-Matrize eingebracht wird. In die Matrize wird ein innerer Pressstempel eingebracht und in einen Zwischenraum zwischen Matrize und innerem Pressstempel werden die Formteile (wie bereits beschrieben) eingelegt und es wird ein zweites Pulver des ersten leitfähigen Materials oder eine zweite pulverartige Mischung aufweisend Partikel des ersten leitfähigen Materials oder ein zweiter vorgepresster Grünkörper aufweisend das erste leitfähige Material eingebracht. In den Zwischenraum zwischen Matrize und innerem Presstempel wird ein äußerer Pressstempel eingebracht. Es wird Pressdruck auf den äußeren und den inneren Presstempel ausgeübt, und zwar so, dass aus der ersten pulverartigen Mischung oder dem ersten Grünkörper ein scheibenförmiger, die Kontaktscheibe des Kontaktelements bildender Bereich entsteht und aus dem zweiten Pulver oder der zweiten pulverartigen Mischung oder dem zweiten Grünkörper ein den Kontaktkörper bzw. Kontaktträger 31, 41 des Kontaktelements bildender Bereich mit Einlassungen 33, 43 entsteht.
  • Am Ende des SPS-Verfahrens steht ein Kontaktträger bzw. ein Kontaktelement zur Verfügung, dessen Oberflächen abhängig von der zu erzielenden Qualität noch bearbeitet werden müssen, beispielsweise durch Polieren, beispielsweise um eine möglichst plane, rillenfreie Kontaktfläche zu erzielen. Gegenüber bekannten Verfahren entfällt jedoch das Schlitzen des Spulenkörpers sowie das Entgraten der Schlitze. Außerdem ist es gegenüber Schlitzverfahren möglich, die Formteile nahezu beliebig auszugestalten und damit das Magnetfeld zu optimieren.
  • Von Vorteil ist, dass der gesinterte Spulenkörper bzw. das gesinterte Kontaktelement sehr endkonturnah ist, d.h. bei der finalen Bearbeitung fällt nur wenig Abfallmaterial an.
  • In vorteilhaften Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Spulenkörper aus einem Verbundmaterial zu fertigen, indem anstelle von reinem Kupferpulver ein geeignetes, im gesinterten Zustand die Festigkeit von Kupfer übersteigendes Pulvergemisch aus Kupfer und einem weiteren Material zugegeben wird. Dies kann auch lokal beschränkt erfolgen, d.h. beispielsweise in Bereichen des Spulenkörpers, die besonderen mechanischen und/oder elektrischen Belastungen ausgesetzt sind wie etwa die Fügestellen zwischen Kontakt und Anschlussbolzen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass hier nur ausgewählte Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, die sich die vorliegende Erfindung zunutze machen. Insbesondere ist es beispielsweise möglich, andere Formen von Spulenkörpern und Kontakten mittels der hier beschriebenen Prinzipien zu konzipieren und zu fertigen. Ebenso sind die als bevorzugt bezeichneten Materialien zwar bevorzugt, aber die Erfindung ist nicht auf diese Materialien beschränkt. Ferner ist es, wie bereits erwähnt, beispielsweise möglich, anstelle des Sinterverfahrens ein additives Herstellungsverfahren (3D-Druck) zu wählen, für welches die meisten im Zusammenhang mit dem Sinterverfahren offenbarten Erwägungen und Vorteile gleichermaßen gelten.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung eines überwiegend aus einem ersten leitfähigen Material bestehenden Kontaktträgers (31, 41) eines Kontaktelements für einen Vakuumschalter (100), mit folgenden Schritten:
    - Einbringen eines oder mehrerer Formteile aus einem zweiten Material mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstoff geringerer Leitfähigkeit in ein Pulverbett oder eine Press-Matrize;
    - Einbringen eines oder mehrerer Formkörper sowie eines Pulvers des ersten Materials in das Pulverbett oder die Press-Matrize;
    - Ausüben von Pressdruck so, dass aus dem Pulver der Kontaktträger (31, 41) entsteht; gekennzeichnet durch:
    - Beaufschlagen des Pulvers während des Pressvorgangs mit einem elektrischen Strom.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Spannungseinspeisepunkte sowie die jeweils eingespeisten elektrischen Leistungen so gewählt werden, dass die durch das Pulver fließenden Ströme annähernd gleichverteilt sind.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Pulver ein Kupferpulver oder eine Mischung aus Kupferpartikeln und einem weiteren leitfähigen Material ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Material Edelstahl ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das oder die Formteil(e) so gestaltet sind, dass sie nach Verpressung und Sinterung des Pulvers über den Umfang verteilte Einlassungen (33, 43) im Kontaktträger (31, 41) bilden, welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn bewirken.
  6. Kontaktträger (31, 41) eines Kontaktelements für einen Vakuumschalter (100), hergestellt mittels des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche und überwiegend bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder einem Verbundwerkstoff, wobei der Kontaktträger eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Einlassungen (33, 43) eines zweiten Materials aufweist, welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters (100) die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn bewirken, wobei das zweite Material eine gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstoff geringerer Leitfähigkeit aufweist.
  7. Vakuumschalter (100) mit einer Vakuumkammer (130), innerhalb derer zwei Kontaktelemente angeordnet sind, wobei mindestens eines der Kontaktelemente einen Kontaktträger (31, 41) nach Anspruch 6 aufweist.
EP22773166.8A 2021-09-23 2022-09-02 Kontaktträger für vakuumschalter, vakuumschalter sowie herstellungsverfahren für einen kontaktträger Active EP4367705B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021210646.3A DE102021210646A1 (de) 2021-09-23 2021-09-23 Kontaktträger für Vakuumschalter, Vakuumschalter sowie Herstellungsverfahren für einen Kontaktträger
PCT/EP2022/074414 WO2023046438A1 (de) 2021-09-23 2022-09-02 Kontaktträger für vakuumschalter, vakuumschalter sowie herstellungsverfahren für einen kontaktträger

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP4367705A1 EP4367705A1 (de) 2024-05-15
EP4367705B1 true EP4367705B1 (de) 2026-02-04

Family

ID=83362516

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22773166.8A Active EP4367705B1 (de) 2021-09-23 2022-09-02 Kontaktträger für vakuumschalter, vakuumschalter sowie herstellungsverfahren für einen kontaktträger

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240379309A1 (de)
EP (1) EP4367705B1 (de)
CN (1) CN117981031A (de)
DE (1) DE102021210646A1 (de)
WO (1) WO2023046438A1 (de)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3150168C2 (de) * 1981-12-18 1990-03-29 Sachsenwerk, Licht- und Kraft-AG, 8000 München Elektrischer Vakuum-Schalter
DE3302595A1 (de) 1983-01-27 1984-08-02 Calor-Emag Elektrizitäts-Aktiengesellschaft, 4030 Ratingen Kontaktanordnung fuer vakuumschalter
JPH01502546A (ja) * 1986-03-26 1989-08-31 シーメンス、アクチエンゲゼルシヤフト 軸方向磁界を伴なう真空遮断器の接触子装置
DE102017214805A1 (de) 2017-08-24 2019-02-28 Siemens Aktiengesellschaft Strombegrenzung mit einem Vakuumschalter
DE102018201301A1 (de) * 2018-01-29 2019-08-01 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Herstellen eines Kontaktbauteils sowie Kontaktbauteil, Vakuumschaltröhre und Schaltanlage
DE102019216869B4 (de) 2019-10-31 2023-02-16 Siemens Aktiengesellschaft Kontaktbolzen zum Abschirmen und Halten einer Kontaktscheibe, Vakuum-Schaltelement aufweisend eine Kontaktscheibe und Verfahren zum Herstellen eines Kontaktbolzens

Also Published As

Publication number Publication date
EP4367705A1 (de) 2024-05-15
DE102021210646A1 (de) 2023-03-23
US20240379309A1 (en) 2024-11-14
WO2023046438A1 (de) 2023-03-30
CN117981031A (zh) 2024-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0013747B1 (de) Vorrichtung zum kontinuierlichen Strangpressen elektrisch-leitfähiger, granulierter, vorzugsweise pulvermetallurgischer Werkstoffe
EP2989650B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung von kontaktelementen für elektrische schaltkontakte
EP3695430B1 (de) Verfahren zum herstellen eines kontaktbauteils sowie kontaktbauteil, vakuumschaltröhre und schaltanlage
EP0796500B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines kontaktstückes
WO2014202389A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung von kontaktelementen für elektrische schaltkontakte
DE69420602T2 (de) Vakuumlastschalter, Elektrodenanordnung für Vakuumlastschalter und Verfahren zu dessen Herstellung
DE3232708A1 (de) Vakuumschaltroehre mit schraubenlinienfoermiger strombahn
EP1844486B1 (de) Verfahren zur herstellung eines kontaktstückes, sowie kontaktstück für eine vakuumschaltkammer selbst
EP4367705B1 (de) Kontaktträger für vakuumschalter, vakuumschalter sowie herstellungsverfahren für einen kontaktträger
WO2019145498A1 (de) Sinteraggregat und verfahren zum spark-plasma-sintern
EP4374406B1 (de) Kontaktscheibe für vakuumschalter, vakuumschalter sowie herstellungsverfahren für eine kontaktscheibe
EP3147918B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung ringförmiger permanentmagnete
EP3116009A1 (de) Elektrischer schaltkontakt
EP1875481A1 (de) Verfahren zur herstellung von kontaktstücken für vakuumschaltkammern
WO2015176859A1 (de) Elektrischer kontaktkörper und dessen herstellung mittels 3d-druck
EP4374405B1 (de) Herstellungsverfahren für ein kontaktelement für vakuum-schalter, kontaktelement sowie vakuumschalter
EP1982393B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines mehrschichtigen pressformkörpers
WO2023052034A1 (de) Herstellungsverfahren für einen kontaktkörper einer vakuumschaltröhre, kontaktkörper für eine vakuumschaltröhre und vakuumschaltröhre mit einem solchen kontaktkörper
EP1111631B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückrohlings und eines Kontaktstückes sowie ein Kontaktstückrohling, ein Kontaktstück und eine Kontaktstückanordnung für Axialmagnetfeldanwendungen in einer Vakuumkammer
DE102015203693A1 (de) Verfahren zum Herstellen von Vakuumschaltkontakten
DE10019121A1 (de) Elektrischer Schaltkontakt und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102015203830A1 (de) Verfahren zum Herstellen von Vakuumschaltkontakten
EP1848019A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückes, sowie Kontaktstück für Nieder-, Mittel,- Hochspannungs- und Generatorschaltgeräte

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240205

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20251008

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: F10

Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: U-0-0-F10-F00 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE)

Effective date: 20260204

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 502022006967

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: GERMAN

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: R17

Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: U-0-0-R10-R17 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE)

Effective date: 20260427