EP4374406A1 - Kontaktscheibe für vakuumschalter, vakuumschalter sowie herstellungsverfahren für eine kontaktscheibe - Google Patents

Kontaktscheibe für vakuumschalter, vakuumschalter sowie herstellungsverfahren für eine kontaktscheibe

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Publication number
EP4374406A1
EP4374406A1 EP22786781.9A EP22786781A EP4374406A1 EP 4374406 A1 EP4374406 A1 EP 4374406A1 EP 22786781 A EP22786781 A EP 22786781A EP 4374406 A1 EP4374406 A1 EP 4374406A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
powder
contact
vacuum switch
copper
contact disk
Prior art date
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Pending
Application number
EP22786781.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
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
Original Assignee
Siemens AG
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 filed Critical Siemens AG
Publication of EP4374406A1 publication Critical patent/EP4374406A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
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    • 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
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H33/6643—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having disc-shaped contacts subdivided in petal-like segments, e.g. by helical grooves

Definitions

  • the present invention relates to a new type of contact disk for vacuum switches, a vacuum switch with such a contact disk and a manufacturing method for a contact disk.
  • spiral and pot contacts Widely used designs are the spiral and pot contacts.
  • the required magnetic field is generated by the geometric design of the contact disk itself; which the contact disc is attached.
  • arcing events on the surface of a contact disk cause partial melting, in particular along the slot edges, as a result of which the slots become narrower with the number of switching operations and can ultimately be completely short-circuited.
  • a contact disk of a contact element for a vacuum switch which consists predominantly of a first conductive material or composite material and has a plurality of recesses distributed over the circumference of a second material with a lower conductivity than the first material or composite material, which during a switching process of the vacuum switch, the formation of a magnetic field and thus a movement of an arc that is produced on a predetermined path and/or a large-area propagation of the arc.
  • the shape of the slots not being limited to slots is, but allows a significantly greater variety of shapes, which in turn allows optimization of the magnetic field formation that can be achieved with the classic cutting or cutting processes are not feasible or only with great effort.
  • the present invention avoids or reduces the effect occurring in the prior art that the slits become narrower with the number of switching operations and finally can be completely short-circuited, since the slits are already filled with material and thus the accumulation of material is at least made more difficult.
  • Stainless steel or another metal with a significantly lower conductivity than copper is preferably used for the material let into the slots.
  • the conductivity of the second material is preferably less than one tenth of the conductivity of the first material.
  • ceramics, ceramic-metal composite materials (cermets) or plastics are used as the second material.
  • a contact disk according to the invention can be produced, for example, by additive manufacturing methods (3D printing), in particular by a 2-component 3D printing method.
  • 3D printing is that Contact disc including the recesses can be manufactured in one operation and complex slot shapes can be realized that can not be realized with conventional machining processes or only with great effort.
  • the present invention also relates to a vacuum switch with a vacuum chamber, within which two contact elements are arranged, with at least one of the contact elements having a contact disk according to the invention.
  • the voltage feed-in points and the electrical power fed in are preferably selected in such a way that the currents flowing through the powder(s) are approximately evenly distributed.
  • a copper powder or a mixture of copper particles and another conductive material such as chromium is preferably used as the (first) powder.
  • Stainless steel is preferably chosen as the second material.
  • Fig. 4 shows a spiral contact disk according to a second embodiment of the present invention schematically in a perspective view
  • Fig. 5 shows a vacuum switch according to an embodiment of the present invention schematically in a partial sectional view.
  • Fig. 3 shows an AMF contact disk 30 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 representation of the contact carrier has been omitted for the purpose of a clearer representation of the present invention.
  • the contact disk 30 or a contact disk area can be attached to the surface of a contact carrier or, in developments of the present invention, can be formed in one piece 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.
  • Fig. 4 shows a spiral contact disk 40 of a contact element for a vacuum switch 100, also consisting of a first conductive material or composite material.
  • the first conductive material is in turn preferably copper.
  • the representation of the contact carrier was omitted for the purpose of a clearer representation of the present invention. It also applies to the spiral contact disk 40 that contact disk 40 or a contact disk area can be attached to the surface of a contact carrier or, in developments of the present invention, can be formed in one piece 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 contact disk 40 has a plurality of indentations 41 distributed over the circumference, which run in a spiral shape and thus increase the length of the indentation compared to straight slots as shown in FIG. 3 increase .
  • a second material with lower electrical conductivity compared to the first material is embedded, again in such a way that the indentations (together with the geometry of the indentations or slots of the corresponding mating contact) allow the formation of a magnetic field and thus a movement of an emerging arc on a given one when current flows Train and / or cause a large-scale spread of the arc.
  • Fig. 5 shows a vacuum interrupter 100 with two contacts with contact carriers 32 , 42 on which contact disks 30 , 40 according to the present invention are applied.
  • two AMF contacts with contact discs 30 according to FIG. 3 shown in detail.
  • other contact wheel shapes designed in accordance with the present invention are used.
  • molded parts which largely correspond to their final shape, but protrude somewhat beyond the later circumference of the contact element, can be used in corresponding receptacles in the matrix.
  • the material of the molded parts that protrudes beyond the circumference can then also be removed in the course of the final surface treatment of the contact element.
  • Copper powder or a powder mixture of copper and chromium is filled into the gaps in the die and surrounding the molded parts and a uniaxial pressure is applied using a press ram. Electrical current preferably flows through the sample to be sintered in a type of series connection at the same time via the press ram and the die. The resulting Joule heating of the sample or of the die leads to a very rapid heating of the sample and thus enables the ef fi cient sintering of the material.
  • molded parts made of the first material can form the starting point, and a powder or pre-pressed green body made of the second material is introduced.
  • the die can have additional shaped bodies that influence the shape of the contact disk.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontaktscheibe (30, 40) eines Kontaktelements für einen Vakuumschalter (100), die überwiegend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstoff besteht und eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Einlassungen (31, 41) eines zweiten Materials mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstoff geringerer Leitfähigkeit aufweist, welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters (100) die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine großflächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirken. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für eine derartige Kontaktscheibe.

Description

2021 1 2696 Auslands fassung
WO 2023/046565 PCT/EP2022/075616
1
Beschreibung
Kontaktscheibe für Vakuumschalter, Vakuumschalter sowie Herstellungsverfahren für eine Kontaktscheibe
Die vorliegende Erfindung betri f ft eine neuartige Kontaktscheibe für Vakuumschalter, einen Vakuumschalter mit einer derartigen Kontaktscheibe sowie ein Herstellungsverfahren für eine Kontaktscheibe .
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 veröf fentlichten Dissertationsschri ft "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 of fenbart in DE102019216869A1 und in DE102017214805A1 , wird das erforderliche Magnetfeld durch die geometrische Gestaltung der Kontaktscheibe selbst erzeugt , bei anderen Kontakt formen, insbesondere beim ebenfalls beispielsweise aus der DE102017214805A1 bekannten Topfkontakt , wird das Magnetfeld durch einen zusätzlichen Spulenkörper geformt , auf welchen die Kontaktscheibe aufgesetzt ist .
Eine Variante eines Kontakts , bei dem das Magnetfeld durch einen Spulenkörper geformt wird, ist aus der DE 33 02 595 Al bekannt . Ein in Schraubenlinienform gewundener bzw . mit schraubenlinienförmigen Ausnehmungen versehener Körper aus einem ersten Werkstof f geringerer elektrischer Leitfähigkeit ist dabei mit einem zweiten Werkstof f höherer Leitfähigkeit und geringerer Schmel z- und Gießtemperatur ausgegossen, wobei insbesondere die Räume zwischen den Schraubenwindungen bzw . die Ausnehmungen vergossen sind . Der aus dem ersten Werkstof f gefertigte Körper stellt dabei einen Teil der Gieß form für den zweiten Werkstof f dar . Auf den auf diese Weise hergestellten Kontaktträger wird sodann an der kontaktgebenden Stirnseite eine strukturf reie Kontaktscheibe aus besonderem Lichtbogenmaterial auf gelötet .
Fig . 1 zeigt eine herkömmliche AMF Kontaktscheibe 10 in schematischer Darstellung . Die Kontaktscheibe 10 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen 11 auf , die so geformt sind, dass sie ( gemeinsam mit der Geometrie des entsprechenden Gegenkontakts ) bei Stromfluss die Ausbildung eines Magnetfelds bewirken, das eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine groß flächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirkt .
Fig . 2 zeigt eine herkömmliche Spiralkontaktscheibe 20 , die eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, spiral förmigen Schlitzen 21 aufweist , die ebenfalls so in die Kontaktscheibe 20 eingebracht sind, dass sie ( gemeinsam mit der Geometrie des entsprechenden Gegenkontakts ) bei Stromfluss die Ausbildung eines Magnetfelds bewirken, das eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine groß flächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirkt .
In Fig . 1 und 2 nicht dargestellt sind die j eweiligen Kontaktträger bzw . Spulenkörper .
Nachteilig an den Kontaktscheiben gemäß des Standes der Technik ist , dass die Schlitzung der Kontaktscheibe deren mechanische Stabilität erheblich beeinträchtigt . 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 Kontaktschei- ben 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 .
Ferner bewirken Lichtbogenereignisse auf der Oberfläche einer Kontaktscheibe ein teilweises Aufschmel zen insbesondere entlang der Schlitzkanten, in dessen Folge die Schlitze mit der Zahl der Schaltvorgänge schmaler und schließlich ganz kurzgeschlossen werden können .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kontaktscheibe für Vakuumschalter sowie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Kontaktscheibe anzugeben, wodurch die beschriebenen Nachteile vermieden werden .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kontaktscheibe eines Kontaktelements für einen Vakuumschalter, die überwiegend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstof f besteht und eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Einlassungen eines zweiten Materials mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstof f geringerer Leitfähigkeit aufweist , welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine groß flächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirken .
Mit anderen Worten ist gemäß der vorliegenden Erfindung in die aus dem Stand der Technik bekannten schlitz förmigen Öf fnungen ein Material eingelassen, das gegenüber dem Material der Kontaktscheibe eine geringere Leitfähigkeit aufweist , wobei die Form der Einlassungen nicht auf Schlitze beschränkt ist , sondern eine deutlich größere Formenviel falt 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 .
Ferner vermeidet oder verringert die vorliegende Erfindung den im Stand der Technik auftretenden Ef fekt , dass die Schlitze mit der Zahl der Schaltvorgänge schmaler und schließlich ganz kurzgeschlossen werden können, da die Schlitze bereits mit Material gefüllt sind und somit die Anlagerung von Material zumindest erschwert wird .
Mit "Einlassung" ist dabei vorzugsweise gemeint , dass das Einbringen des zweiten Materials in das erste Material bereits während der Aus formung der Kontaktscheibengrundform erfolgt und nicht nachträglich, also beispielsweise nicht , indem in eine Kontaktscheibe Schlitze eingebracht werden, die anschließend mit dem zweiten Material verfällt werden .
In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist das erste leitfähige Material , also das Material des Kontaktscheibengrundkörpers , Kupfer oder ein kupferbasierter Verbundwerkstof f , insbesondere CuCr25 oder CuCrS O oder CuCr35 .
Für das in die Schlitze eingelassene Material wird bevorzugt Edelstahl oder ein anderes Metall mit deutlich geringerer Leitfähigkeit als Kupfer verwendet . Dabei beträgt die Leitfähigkeit des zweiten Materials vorzugsweise weniger als ein Zehntel der Leitfähigkeit des ersten Materials . In alternativen Ausgestaltungen werden Keramiken, Keramik-Metall- Verbundwerkstof fe ( Cermets ) oder Kunststof fe als zweites Material genutzt .
Eine erfindungsgemäße Kontaktscheibe 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 die Kontaktscheibe einschließlich der Einlassungen in einem Arbeitsgang gefertigt werden kann und auch komplexe Schlitz formen realisiert werden können, die mit herkömmlichen spanenden Arbeitsverfahren nicht oder nur mit großem Aufwand realisiert werden können .
Die vorliegende Erfindung betri f ft ferner einen Vakuumschalter mit einer Vakuumkammer, innerhalb derer zwei Kontaktelemente angeordnet sind, wobei mindestens eines der Kontaktelemente eine erfindungsgemäße Kontaktscheibe aufweist .
Die vorliegende Erfindung betri f ft außerdem ein zum 3D-Druck alternatives Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kontaktscheibe , die überwiegend aus einem ersten Material oder Verbundwerkstof f besteht . Dabei werden ein oder mehrere Formteile aus einem zweiten Material mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstof f geringerer Leitfähigkeit in ein Pulverbett oder eine Press-Matri ze eingebracht . Anschließend werden, falls erforderlich, die Form der Kontaktscheibe bestimmenden Formteile in die Press-Matri ze eingebracht . In die Pressmatri ze wird ein Pulver des ersten Materials bzw . eine Pulvermischung oder auch aus Pulver vorgepresste Grünteile eingebracht . Anschließend wird ein Pressdruck so ausgeübt , dass aus dem Pulver bzw . der Pulvermischung die Kontaktscheibe mit den eingebetteten bzw . eingelassenen Formteilen entsteht . Alternativ können auch Formteile aus dem ersten Material den Ausgangspunkt bilden, und es wird ein Pulver oder vorgepresste Grünkörper aus dem zweiten Material eingebracht .
Dabei kann das Pulver bzw . die Pulvermischung während des Pressvorgangs zusätzlich mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden .
Die Spannungseinspeisepunkte sowie die j eweils eingespeisten elektrischen Leistungen werden dabei bevorzugt so gewählt , dass die durch das/die Pulver fließenden Ströme annähernd gleichverteilt sind . Vorzugsweise wird als ( erstes ) Pulver ein Kupferpulver oder eine Mischung aus Kupferpartikeln und einem weiteren leitfähigen Material wie beispielsweise Chrom verwendet . Als zweites Material wird bevorzugt Edelstahl gewählt .
Das oder die Formteile sind vorzugsweise so gestaltet , dass sie nach Verpressung und Sinterung des/der Pulver ( s ) über den Umfang verteilte Einlassungen in der Kontaktscheibe bilden, welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine groß flächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirken .
Im Folgenden werden Aus führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert . Es sei darauf hingewiesen, dass sämtliche vorstehend und nachfolgend of fenbarten Varianten, Ausgestaltungen und Aus führungsbeispiele uneingeschränkt miteinander kombinierbar sind .
Fig . 3 zeigt eine AMF-Kontaktscheibe gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in perspektivischer Darstellung;
Fig . 4 zeigt eine Spiralkontaktscheibe gemäß eines zweiten Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in perspektivischer Darstellung; und
Fig . 5 zeigt einen Vakuumschalter gemäß eines Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in partieller Schnittdarstellung .
Fig . 3 zeigt eine AMF-Kontaktscheibe 30 eines AMF-Kontakt- elements für einen Vakuumschalter 100 bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstof f . Das erste leitfähige Material ist dabei vorzugsweise Kupfer . Auf die Darstellung des Kontaktträgers wurde im Sinne einer klareren Darstellung der vorliegenden Erfindung verzichtet . Es sei j edoch darauf hingewiesen, dass die Kontaktscheibe 30 bzw . ein Kontaktscheibenbereich an der Oberfläche eines Kontaktträgers 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 .
Die Kontaktscheibe 30 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden, im Beispiel der Fig . 3 im Wesentlichen schlitz förmigen Einlassungen 31 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 ) bei Stromfluss die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine groß flächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirken .
Fig . 4 zeigt eine Spiralkontaktscheibe 40 eines Kontaktelements für einen Vakuumschalter 100 , ebenfalls bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstof f . Das erste leitfähige Material ist dabei wiederum vorzugsweise Kupfer . Auch in Fig . 4 wurde auf die Darstellung des Kontaktträgers im Sinne einer klareren Darstellung der vorliegenden Erfindung verzichtet . Auch für die Spiralkontaktscheibe 40 gilt , dass Kontaktscheibe 40 bzw . ein Kontaktscheibenbereich an der Oberfläche eines Kontaktträgers 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 .
Die Kontaktscheibe 40 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Einlassungen 41 auf , welche spiral förmig verlaufenden und somit die Länge der Einlassung gegenüber geraden Schlitzen wie in Fig . 3 erhöhen . In diese Einlassungen ist ein zweites Material mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit gegenüber dem ersten Material eingelassen, und zwar wiederum so , dass die Einlassungen ( gemeinsam mit der Geometrie der Einlassungen oder Schlitze des entsprechenden Gegenkontakts ) bei Stromfluss die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine groß flächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirken .
Fig . 5 zeigt eine Vakuumschaltröhre 100 mit zwei Kontakten mit Kontaktträgern 32 , 42 , auf welche Kontaktscheiben 30 , 40 gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebracht sind . Dabei wurden rein beispielhaft zwei AMF-Kontakte mit Kontaktschei- ben 30 gemäß Fig . 3 detailliert dargestellt . In anderen Ausführungsbeispielen werden andere Kontaktscheibenformen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konzipiert sind, verwendet .
Der Vakuumschalter 100 weist eine feststehende Anschlussscheibe bzw . einen feststehenden Anschlussbol zen 110 aus leitfähigem Material , vorzugsweise aus Kupfer, auf . Dieser ist verbunden mit dem Spulenkörper 32 , 42 eines feststehenden Kontakts . Ein beweglicher Kontakt ist planparallel zum feststehenden Kontakt ausgerichtet und wird von einem beweglichen Anschlussbol zen 170 getragen . Durch axiale Bewegung des beweglichen Anschlussbol zens 170 in Richtung des feststehenden Anschlussbol zens 110 wird der Vakuumschalter geschlossen, durch eine Bewegung in umgekehrter Richtung wird der Vakuumschalter geöf fnet . Der bewegliche Anschlussbol zen 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 Metall faltenbalg 150 dient der Abdichtung der Vakuumkammer 130 gegenüber der Umgebung im Bereich der Durchführung des beweglichen Anschlussbol zens in die Vakuumkammer . Im Folgenden wird ein bevorzugtes Herstellungsverfahren zur Herstellung der Kontaktscheiben 30 , 40 beschrieben .
Ein oder mehrere Formteile , vorzugsweise aus Edelstahl , die später die Einlassungen in der Kontaktscheibe 40 bilden, werden in eine Matri ze eingebracht . Die Lage der Formteile wird dabei durch geeignete Mittel festgelegt . Beispielsweise kann ein Formteil verwendet werden, bei dem die mehreren Einlassungen durch schmale , die spätere Funktion nicht beeinträchtigende Stege miteinander verbunden sind und so einen Formteilverbund bilden, der 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 Matri ze 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 Matri ze und die Formteile umgebend wird Kupferpulver oder eine Pulvermischung aus Kupfer und Chrom eingefüllt und über Pressstempel mit einem uniaxial wirkenden Druck beaufschlagt . Vorzugsweise wird gleichzeitig über die Pressstempel und die Matri ze die zu sinternde Probe von elektrischem Strom in einer Art Reihenschaltung durchflossen . Die so erzeugte Joulesche Erwärmung der Probe bzw . der Matri ze führt zu einer sehr schnellen Aufhei zung der Probe und ermöglicht so das ef fi ziente Sintern des Werkstof fs .
Wie bereits erwähnt können auch Formteile aus dem ersten Material den Ausgangspunkt bilden, und es wird ein Pulver oder vorgepresste Grünkörper aus dem zweiten Material eingebracht . Die Matri ze kann zusätzliche , die Form der Kontaktscheibe beeinflussende Formkörper aufweisen .
In Aus führungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das komplette Kontaktelement einschließlich Kontaktscheibe und Kontaktträger mittels des Sinterverfahrens hergestellt werden .
Am Ende des SPS-Verf ährens steht eine Kontaktscheibe zur Verfügung, deren Oberflächen abhängig von der zu erzielenden Qualität noch bearbeitet werden müssen, beispielsweise durch Polieren, beispielsweise um eine möglichst plane , rillenfreie Kontakt fläche zu erzielen . Gegenüber bekannten Verfahren entfällt j edoch das Schlitzen der Kontaktscheibe sowie das Entgraten der Schlitze . Außerdem ist es gegenüber Schlitzverfahren möglich, die Formteile nahezu beliebig aus zugestalten und damit das Magnetfeld zu optimieren .
Von Vorteil ist , dass die gesinterte Kontaktscheibe bzw . das gesinterte Kontaktelement sehr endkonturnah ist , d . h . bei der finalen Bearbeitung fällt nur wenig Abfallmaterial an .
Wie bereits angedeutet , ist es in vorteilhaften Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung möglich, die Kontaktscheibe aus einem Verbundmaterial zu fertigen, indem anstelle von reinem Kupferpulver ein geeignetes , im gesinterten Zustand die Festigkeit und/oder die Beständigkeit gegenüber Abbrand 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 Oberfläche der Kontaktscheibe .
Es sei darauf hingewiesen, dass hier nur ausgewählte Aus führungsbeispiele beschrieben wurden, die sich die vorliegende Erfindung zunutze machen . Insbesondere ist es beispielsweise möglich, andere Formen von Kontaktscheiben 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 of fenbarten Erwägungen und Vorteile gleichermaßen gelten .

Claims

Patentansprüche
1. Kontaktscheibe (30, 40) eines Kontaktelements für einen Vakuumschalter (100) , überwiegend bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder einem Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktscheibe eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Einlassungen (31, 41) eines zweiten Materials mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstoff geringerer Leitfähigkeit aufweist, welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters (100) die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine großflächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirken.
2. Kontaktscheibe (30, 40) nach Anspruch 1, bei dem das erste leitfähige Material Kupfer ist oder bei dem der Verbundwerkstoff Kupfer und Chrom aufweist.
3. Kontaktscheibe (30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Material Edelstahl ist.
4. Vakuumschalter (100) mit einer Vakuumkammer (130) , innerhalb derer zwei Kontaktelemente angeordnet sind, wobei mindestens eines der Kontaktelemente eine Kontaktscheibe (30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung einer überwiegend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerksof f bestehenden Kontaktscheibe (30, 40) 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 Pulvers des ersten Materials oder einer Pulvermischung aufweisend das erste Material oder eines oder mehrerer vorgepresster Grünkörper aufweisend das erste Material in das Pulverbett oder die Press-Matrize; und
- Ausüben von Pressdruck so, dass das Pulver bzw. die Pulvermischung bzw. der/die Grünkörper mit den Formteilen zur Kontaktscheibe (30, 40) versintert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Pulver ein Kupferpulver oder eine Mischung aus Kupferpartikeln und einem weiteren leitfähigen Material, insbesondere Chrom, ist bzw. der/die Grünköper aus Kupfer oder einer Mischung aus Kupferpartikeln und einem weiteren leitfähigen Material, insbesondere Chrom besteht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem das zweite Material Edelstahl ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer überwiegend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstoff bestehenden Kontaktscheibe (30, 40) eines Kontaktelements für einen Vakuumschalter (100) , mit folgenden Schritten:
- Einbringen eines oder mehrerer Formteile aus dem ersten Material oder Verbundwerkstoff geringerer Leitfähigkeit in ein Pulverbett oder eine Press-Matrize;
- Einbringen eines Pulvers eines zweiten Materials mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstoff geringerer Leitfähigkeit oder einer Pulvermischung oder eines oder mehrerer vorgepresster Grünkörper aufweisend ein derartiges zweites Material in das Pulverbett oder die Press-Matrize; und
- Ausüben von Pressdruck so, dass die Formteile und das Pulver bzw. die Pulvermischung bzw. der/die Grünkörper zur die Kontaktscheibe (30, 40) versintert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Formteile aus Kupfer oder einem Verbundwerkstoff aus Kupfer und einem weiteren leitfähigen Material, insbesondere Chrom, ist. 14
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem das zweite Material Edelstahl ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem das Pulver während des Pressvorgangs zusätzlich mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem Spannungseinspeise" punkte sowie die jeweils eingespeisten elektrischen Leistungen so gewählt werden, dass die durch das Pulver bzw. die Pulvermischung bzw. den/die Grünkörper fließenden Ströme annähernd gleichverteilt sind.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, bei dem das oder die Formteile so gestaltet sind, dass nach Verpressung und Sinterung des Pulvers über den Umfang verteilte Einlassungen (31, 41) des zweiten Materials in der Kontaktscheibe (30, 40) gebildet werden, welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine großflächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirken.
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