NL8400873A - Vakuumschakelaar, voorzien van hoefijzervormige organen voor het opwekken van een axiaal magnetisch veld. - Google Patents

Description

♦ N.0. 32.203 1

Vakuumschakelaar, voorzien van hoefijzervormige organen voor het opwekken van een axiaal magnetisch veld.

5 De uitvinding heeft betrekking op een vakuumschakelaar, voorzien van twee van elkaar af en naar elkaar toe beweegbare kontakten van elektrisch geleidend materiaal, bevestigd cp de einden van een vaste, res-pektievelijk beweegbare kontaktstang van elektrisch geleidend materiaal, waarbij cm elke kontaktstang een gelamelleerd hoefijzervormig ferrcmag-10 netisch orgaan is aangebracht, waardoor cm de kontaktstang gezien ter plaatse een magnetisch circuit wordt gevormd, dat bestaat uit een deel met lage magnetische weerstand en een deel met hoge magnetische weerstand, waarbij de hoefijzervormige organen met hun cirkelvormige basis van de U-vormige binnenholte aanliggen tegen de bijbehorende kontakt-15 stang en daarbij 180° cmgëkeerd ten opzichte van elkaar zijn geplaatst, zodat de bij stroandoorgang door de schakelaar in de hoefijzervormige > organen opgewekte inwendige magneetvelden, naar mate het deel met hoge magnetische weerstand wordt genaderd, in hoofdzaak axiaal tussen de twee hoefijzervormige organen worden gericht.

20 Een dergelijke vakuumschakelaar is bekend uit het Nederlandse octrooischrift 168361.

Cp zeer eenvoudige wijze wordt hierin met behulp van de ferrcmagne-tische hoefijzervormige organen een krachtig axiaal magnetisch veld opgewekt, waardoor de hoogspanning wordt beperkt en de onderbrékingseigen-25 schappen van de vakuumschakelaar worden verbeterd.

Alhoewel de ferroragnetische hoefi jzervormige organen volgens het genoemde Nederlandse octrooi schrift een aanzienlijke verbetering te zien geven met betrekking tot de hoogspanning en dus het schakel gedrag van de vakuumschakelaar, vertoont deze toch nog een aantal nadelen.

30 Wanneer men namelijk de hoogspanning en daarmee het onderbrekings- vermogen nog verder zou willen verhogen door versterking van het axiale veld, zou dit betekenen dat het volume van de ferramagnetische hoefijzervormige organen zou moeten toenemen. Zo'n toename zou echter, gezien de plaatsing van de ferrcroagnetische hoefijzervormige organen bim-35 nen in de schakelaar, tevens irihouden dat de afmetingen van de schakelaar zouden toenenen. Dit is echter strijdig met het algemene streven de afmetingen van de vakuumschakelaars zo beperkt mogelijk te houden. Bovendien zal de massa van het beweegbare kontakt dan eveneens toenemen, hetgeen hogere eisen stelt aan het aandri jfmechaniane en leidt tot een 40 hogere dendemeiging van de kontakten bij het sluiten.

8400873 ί 1 2

De uitvinding is er daarom op gericht een vakuumschakelaar van de in de aarihef genoemde soort te verschaffen, die zodanig verder is verbeterd, dat het onderbrekingsvermogen wordt verhoogd zonder dat genoemde nadelige gevolgen optreden. De vakuumschakelaar volgens de uitvinding 5 heeft daaran het kenmerk, dat de hoefijzervormige organen zodanig zijn uitgevoerd, dat hun magnetische weerstand voor het inwendige magneet- . veld, vanaf het U-vormige, basisdeel naar het deel met hoge magnetische weerstand toeneemt.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm van de vakuumschakelaar volgens 10 de uitvinding heeft deze het kenmerk, dat het inwendige magnetische veld een magnetische weerstand ondervindt, die toeneemt naarmate de afstand tot het U-vormige basisdeel ten opzichte van de afstand tot het kontaktoppervlak toeneemt.

lii een voorkeursuitvoeringsvorm van de vakuumschakelaar volgens de 15 uitvinding wordt elk hoefijzervormig orgaan enerzijds begrensd door een plat grensvlak, dat dwars staat op de kontaktstang en dat gelegen is aan de zijde van het kontaktoppervl ak en anderzijds begrensd door een grensvlak, dat vanaf het U-vormige basisdeel naar het deel met hoge magnetische weerstand, het bovengenoemde platte grensvlak, nadert.

20 Volgens de onderhavige uitvinding wordt voor het f erranagnetische materiaal van de hoefijzervormige organen materiaal gekozen met een hoge verzadigingsindüktie, zoals bijvoorbeeld zuiver ijzer. Door zuiver ijzer te legeren met kobalt krijgt het materiaal tevens een hogere elektrische weerstand. Bij voorkeur wordt uit de reeks van mogelijkheden het mate-25 riaal FeCo 50/50 gekozen andat dit materiaal een hoge verzadigingsinduk-tie paart aan een hoge elektrische weerstand.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen, waarop ui tvoeringsvoorbeelden zijn weergegeven.

Fig. 1 toont een vakuumschakelaar zoals bekend uit het bovengenoem-30 de Nederlandse octrooi schrift? fig. 2 toont het verloop van de f 1 uxkcnponenten bij de schakelaar volgens fig. 1; fig. 3 toont het verloop van de f 1 uxkomponenten bij de schakelaar volgens de uitvinding; 35 fig. 4 toont een uitvoeringsvoorbeeld van de schakelaar volgens de uitvinding; fig. 5 toont een mogelijke uitvoeringsvorm en samenstelling van een uit horizontale lamellen opgebouwd hoefijzervormig orgaan? fig. 6 toont de mogeli jke uitvoeringsvorm en samenstelling van een 40 uit vertikale, gewikkelde lamellen opgebouwd hoefijzervormig orgaan; 84 0 0 8 7 3- 3 fig. 7 toont de mogelijke uitvoeringsvorm en de samenstelling van een uit vertikale, koncentrische lamellen opgebouwd orgaan; fig. 8 toont de maximum hoogspanning als funktie van de strooit bij vakuumschakel aars volgens de stand van de techniek en volgens de uitvin-5 ding; fig. 9 toont ter nadere toelichting een aantal magnetiseringskrcm- men.

Zoals uit fig. la blijkt zijn de kontakten 1 ai 2 voorzien van daarachter liggende ferronagnetische hoefijzervormige organen 5 respék-10 tievelijk 6. De kontakten 1 en 2 zijn met de bijbehorende ferratagne-tische hoefi jzervormige organen 5 ei 6 φ kontaktstangen 3 respekti everlijk 4 bevestigd, waarmee ze met elkaar in kcntakt kunnen worden gebracht of van elkaar kunnen worden gescheiden.

Vfameer er nu een stroan door de schakelaar loopt, zal deze een in-15 wendig magnetisch veld in de ferronagnetische hoefi jzervonnige organen 5 en 6 induceren, dat wil zeggen koncentxisch cm de kontaktstang verlopend, welk magneetveld echter door de vorm en opstelling van de hoef-ijzervormige organen geleidelijk en grotendeels zal werden crogezet in een axiaal gericht magnetisch veld 7, waarmee de boogblussende eigen-20 schappen van de vakuunschakelaar worden verbeterd. Het axiale magnetische veld 7 zal ongeveer verlopen zoals in fig. 1b tussen de hoef-i jzervonnige organen 5 en 6 is aangegeven.

In fig. 2 zijn de beide ferronagnetische hoefijzervormige organen 5 en 6 uit fig. 1 in cpengeslagen vorm boven elkaar getékend. Het kontakt-25 vlak 8 bevindt zich daartussenin en is gestippeld aangegeven.

Zoals hiervoor reeds is opgemerkt zal het door de stroan I door de schakelaar in. bijvoorbeeld het ferronagnetische hoefijzervormige orgaan &. geïnduceerde magnetische veld δ worden gesplitst in een hoofiizake-11 jk door het ferronagnetische hoefi jzervonnige orgaan lepende inwendige 30 kempenent ®r en een naar het andere ferronagnetische hoefijzer-vormige orgaan 5 overstekende axiale konponent <ZL.

De totale magnetische flux zal ter plaatse van de doorsnede A, dus ter plaatse van het U-vorxnige basisdeel, geheel in de Iangsrichting van het U-vormige orgaan, koncentrisch cm de kontakt stang zijn gericht, maar 35 ten gevolge van de axiale kanponent $a geleidelijk afnemen, naarmate de afstand ten opzichte van deze doorsnede A toeneent. Hierdoor zal ter plaatse van het gedeelte met een hoge magnetische weerstand in de ferro-magnetische hoefijzervormige organen slechts een relatief kleine flux-kenponent a>r overblijven. Dit betékent echter, dat de ferranagne-40 tische hoefijzervormige organen 5 en 6 ten aanzien van de magnetische 8400873 4 verzadiging niet optimaal kunnen worden gebruikt, omdat het gedeelte ter plaatse van de doorsnede A reeds lang het magnetische verzadigingspunt zal hébben bereikt, als dit ter plaatse van de delen die grenzen aan de delen met hoge magnetische weerstand nog lang niet het geval is. Vanwege 5 deze verzadiging kan het totale veld cB in het hoefijzervormige orgaan niet meer toenemen en derhalve ook het axiale.veld 3L niet meer.

cl

Cm nu het axiale magnetische veld te kunnen vergroten zou men het totale volume van de ferrcmagnetische hoefijzervormige organen kunnen vergroten, waardoor het magnetische verzadigingspunt pas bij een grotere 10 langsfluxkcnponent ®r wordt bereikt en dus ook de axiale fluxkcrnpo-nent 3>a een grotere waarde kan bezitten. Het vergroten van het volume van de ferrcmagnetische hoefijzervormige organen kan alleen worden bereikt door de afmetingen in axiale zin te vergroten, omdat de radiale afmetingen in hoofdzaak door de bijbehorende kontakten -worden 15 bepaald.

Behalve de in de inleiding genoemde nadelen ten aanziën van de afmetingen en het totale gewicht van het kontaktsamenstel en het hierboven geschetste inefficiënte gebruik van de ferrcmagnetisch hoefijzervormige organen, zal in dat geval dan echter bovendien de nuttige axiale flux-20 konponent $a minder sterk toenemen dan de fluxkemponent <δΓ, wat betékent dat het rendement van de totale flux <B daalt. Door het dikker worden van het hoefijzervormige orgaan zal namelijk als gevolg van het grotere oppervlak de magnetische weerstand van het open deel afnemen, zodat hier meer flux ü>r over zal gaan steken. Dit gaan ten koste van 25 de axiale fluxkemponent $a.

In fig. 3 zijn nu, op overeenkomstige wijze als in fig. 2, de beide ferrcmagnetische hoefijzervormige organen 5 en 6 volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding in opengeslagen vorm boven elkaar weergegeven, waarbij het kontaktvlak 8 zich weer tussen deze twee hoef-30 i jzervormige organen zal bevinden.

Met deze in fig. \ weergegeven vorm wordt niet alleen bereikt, dat de ferrcmagnetische hoefijzervormige organen met betrékking tot het magnetische verzadigingspunt optimaal worden gébruikt, terwijl daarbij tevens het gewicht van het kontaktsamenstel wordt verminderd, maar zal 35 bij gelijkblijvende afmetingen in axiale zin en een zelfde totale flux δ, de axiale fluxkemponent S sterk toenenen. Dit is aan de hand van fig. 3 eenvoudig in té zien, omdat de magnetische weerstand voor de fluxkemponent δχ sterk is toegenemen, terwijl die voor de axiale fluxkanponent δ9 konstant is gébleven. Er zal derhalve van de totale 40 magnetische flux een grotere konponent in axiale richting gaan vloeien.

8400873 i 5

Op zeer eenvoudige wijze lean dus volgens de uitvinding een aanzienlijke verbetering van de in de aanhef genoemde eigenschappen van de vakuum-schakelaar worden bereikt.

Uiteraard is deze verbetering niet beperkt tot het gébruik van een 5 magnetisch veld au de boogblussende werking van een schakelaar te verbeteren, maar kan daarmee ook een verbetering worden bereikt in die gevallen, waarbij men een schakelaarstroati gébruikt an magnetische afsto-tings- of aantrékki ngskrachten tussen de kontakten op te wékken.

In fig. 4 is een kontaktsanenstel volgens de uitvinding weerge-10 geven, waarbij gébruik wordt gemaakt van op elkaar gestapelde plaatjes van ferranagnetisch materiaal. Met 8 wordt weer het kontaktvlak aangegeven gelegen tussen de beide kontakten 1 en 2. 3 en 4 zijn de respectievelijke bijbehorende kentaktstangen, waaratheen de hoefijzervormige organen, bestaande uit op elkaar gestapelde plaatjes, zijn aangebracht. 15 Deze plaatjes kunnen met een klinknagel, bout of dergelijke met elkaar zijn verbonden, terwijl men de afmetingen in axiale zin kan variëren door meer of minder plaatjes te gébruiken.

In fig. 5 is bij wijze van voorbeeld aangegeven hoe de verschillende plaatjes kunnen worden gevormd. Uit het gestapelde samenstel blijkt, 20 dat de magnetische weerstand voor de inwendige 1 angsfl uxkcmponent ock hier sterk zal toenemen, naarmate de afstand tot het middendeel, vaar het hoefijzervonnige orgaan het dikst is, toeneemt. Hier wordt derhalve de in fig. 3 weergegeven vorm benaderd.

Fig. 6 toont een ferromagnetisch hoefi jzervormig orgaan volgens een 25 andere voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, waarbij de plaatjes koaxiaal cm de kontaktstang zijn gebogen.

Een dergelijk orgaan kan op eenvoudige wijze worden vervaardigd door achtereenvolgens au een vorm een rol te wikkelen uit ferranagnetisch band- of stripnateriaal, waarbij de binnendiameter van de vorm zo-30 danige afmetingen bezit, dat daarin de kontaktstang past* Op passende wijze, bijvoorbeeld door het opsluiten in een huis, wordt er vervolgens voor gezorgd, dat de windingen bij elkaar blijven. Het gedeelte met een hoge magnetische weerstand kan daarna worden aangebracht door een deel van de wand van de rol bijvoorbeeld door frezen te verwijderen en ten-35 slotte (¼ magnetische weerstand voor de inwendige langskcmponent van het veld te verhogen door het afschuinen van de rol.

Een andere mogelijkheid wordt weergegeven in fig. 7. Ook hier is het ferranagnetische hoefijzervormige orgaan gevormd uit plaatjes, die hier echter in axiale richting koaxiaal cm de kontaktstang zijn aange-40 bracht. De plaatjes zijn daarbij afzonderlijk gevormd volgens een be- 8400873 6 paald patroon en daarna tot de gewenste vorm gebogen en ook weer door bijvoorbeeld klinken aan elkaar bevestigd.

In fig. 7 onderaan zijn bij wijze van voorbeeld het binnenste en het buitenste plaatje opengeslagen weergegeven. Het voordeel van deze 5 mogelijkheid boven die in fig. 6 is, dat de vorm van het uiteindelijke ferranagnetische. hoefijzervormige orgaan aan uiteenlopende wensen kan worden aangepast.

In fig. 8 is als furiktie van de stroom door de schakelaar in kA de maximum hoogspanning in. V aangegeven voor een vakuumschakelaar zonder 10 axiaal veld, grafiek A, voor een schakelaar met ongelamelleerde ferro-magnetische hoefijzervormige organen, grafiek B, voor een schakelaar met gel amel leerde ferrcmagneti sche hoefijzervormige organen, grafiek C, en tenslotte voor een vakuunschakelaar met hoefijzervormige organen volgens de uitvinding, zie grafiek D. De grafiek C geldt voor een vakuunschake-15 laar volgens de inleiding van de onderhavige octrooiaanvrage. Grafiek D toont de verlaging van de hoogspanning met een toename van de onderbroken stroonsterkte bij toepassing van de maatregelen volgens de onderhavige uitvinding. De meetpunten van de grafieken C en D gaan slechts tot 25 kA. Door extrapolatie is echter in te zien, dat met name bij gra-20 fiek D de boogspanning ook bij zeer hoge stranen op een erg laag niveau blijft. Deze extrapolatie is toelaatbaar in verband met de snelle respectievelijk langzame toename van de verzadiging bij de verschillende uitvoeringsvormen van de hoefijzervormige organen.

In tegenstelling tot wat bij de meeste materialen met magnetische 25 eigenschappen wordt verlangd is niet de steilheid van de kranne belangrijk, maar de hoge verzadigingsindüktie. Op grond hiervan is zuiver ijzer te verkiezen boven het veel gébruikte zogenaamde transformator-blik. Door deze hoge verzadigingsindüktie kunnen de ferranagnetische hoefijzervormige organen bij een gegeven flux kleiner zijn dan bij mate-30 riaal met een minder hoge verzadigingsindüktie.

Ook is het van belang dat het materiaal een hoge elektrische weerstand bezit, omdat daardoor dikkere lamellen kunnen worden toegepast, zonder dat er hinderlijke wervel stromen ontstaan. Het ferranagnetische orgaan kan dientengevolge uit minder lamellen zijn opgebouwd, hetgeen 35 produktie-technisch van voordeel is. Om een hogere elektrische weerstand te bereiken en toch een goede verzadigingsindüktie te behouden, wordt veel gebruik genaakt van i jzer-cobaltlegeringen, zoals het zogenaamde Vacoflux 24S2 met een kobaltpercentage van 24 of het, de voorkeur ver- . dienende FeCo 50/50 met een kobaltpercentage van 50.

40 In fig. 9 is voor een aantal materialen de magnetiseringskrarme 8400873 9 * 7 uitgezet. In tegenstelling tot wat bij de meeste materialen met magnetische eigenschappen wordt verlangd, is niet de steilheid van de krcnmen belangrijk maar de hoge bereikbare verzadigingsinduktie. Op grond daarvan is zuiver ijzer (krartne 1) te verkiezen boven het veel gébruikte zo-5 genaamde transforaratofblik (krcrane 2), bestaande uit 3% siliciunstaal.

• Door deze hoge verzadigingsinduktie kunnen de ferranagneti sche hoefijzervormige organen bij een gegeven flux kleiner zijn.

Het is verder ock van belang dat het materiaal een hoge elektrische weerstand heeft andat daardoor dikkere lamellen kunnen worden toegepast 10 zonder dat er hinderlijke wervel stromen ontstaan. Het ferrcmagnetische orgaan kan dientengevolge uit minder lamellen zijn qpgébouwi hetgeen produktie-technisch van voordeel is. Een materiaal dat in dit opzicht de voorkeur verdient is bijvoorbeeld FeOo 50/50 (krcrane 3) dat zcwel een hoge verzadigingsinduktie als een hoge elektrische weerstand bezit.

15 Het spreekt vanzelf, dat de uitvinding niet beperkt is tot de hier boven beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, maar dat wijzigingen mogelijk zijn zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

8400873

Claims (9)

1. Elektrische vakuumschakelaar, voorzien van twee van elkaar af en naar elkaar toe beweegbare kontakten van elektrisch geleidend materiaal/ 5 bevestigd op de einden van een vaste, respektievelijk beweegbare kon-taktstang van elektrisch geleidend materiaal, waarbij cm elke kontakt-stang een gelamelleerd hoefijzervormig f errcmagneti sch orgaan is aangebracht, waardoor cm de kontaktstang gezien ter plaatse een magnetisch circuit wordt gevormd, dat bestaat uit een deel met lage magnetische 10 weerstand en een deel met hoge magnetische weerstand, waarbij de hoefijzervormige organen met hun cirkelvormige basis van de U-vormige binnenholte aanliggen tegen de bijbehorende kontaktstang en daarbij 180° omgekeerd ten opzichte van elkaar zijn geplaatst, zodat de bij strocm-doorgang door de schakelaar in de hoefijzervormige organen opgewekte in-15 wendige magneetvelden, naar mate het deel met hoge magnetische weerstand wordt genaderd, in hoofdzaak axiaal tussen de twee hoefijzervormige organen worden gericht, met het kenmerk, dat de hoefijzervormige organen zodanig zijn uitgevoerd, dat hun magnetische weerstand voor het inwendige magneetveld, vanaf het U-vormige basisdeel naar 20 het deel met hoge magnetische weerstand toeneemt.

2. Vakuumschakel aar volgens conclusie l,met het kenmerk, dat het inwendige magnetische veld een magnetische weerstand ondervindt, die toeneemt naarmate de afstand tot het U-vormige basisdeel 25 ten opzichte van de afstand tot het kontaktoppervlak toeneemt.

3. Vakuunschakelaar volgens conclusie 1 of 2, met het k e n m e r k, dat elk hoefi jzervormig orgaan een plat grensvlak bezit, dat dwars staat op de kontaktstang en dat gelegen is aan de zijde van 30 het kontaktoppervlak, en een grensvlak dat vanaf het U-vormige basisdeel naar het deel met hoge magnetische weerstand, het platte grensvlak nadert. o

4. Elektrische vakuunschakelaar volgens conclusie 3, met het 35 kenmerk, dat de gelamelleerde ferrcmagnetische hoefijzervormige organen zijn samengesteld uit evenwijdig aan het platte grensvlak gestapeld liggende f errcmagneti sche plaatjes, waarvan de, de U-vormige binnenholte begrenzende benen een hoek insluiten,. die groter wordt naarmate de afstand tot het kontaktoppervlak toeneemt. 8400873 *

5. Elektrische vakuunschakelaar volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de gelamelleerde f erranagnetische hoefijzervormige organen zijn samengesteld uit cm de kontaktstang heen aangebrachte, ko-axiale cilinderdelen vormende ferrcmagnetische plaatjes, waarvan de 5 axiale afmetingen gerékend vanaf het platte grensvlak, vanaf de cirkel -vormige basis van de U-vormige binnenholte naar het open uiteinde toe kleiner worden.

6. Vakuunschakelaar volgens conclusie 5, met het ken- 10. e r k, dat de, de koaxiale cilinderdelen vormende ferrcmagnetische plaatjes kcncentrisch zijn.

7. Vakuunschakelaar volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de, de koaxiale cilinderdelen vormende ferrcmagnetische 15 plaatjes spiraalvormig zijn.

8. Gelamelleerd boefl jzervormig orgaan voor toepassing in de vakuunschakelaar volgens een van de conclusies 1 tot 7, m e t het kenmerk, dat het f erranagneti sche materiaal van dit orgaan een 20 hoge verzadigingsinduktie bezit en bijvoorbeeld bestaat uit zuiver ijzer.

9. Gelamelleerd hoefijzervormig orgaan volgens conclusie 8, m e t het kenmerk, dat het ferrcmagnetische materiaal tevens een 25 hoge elektrische weerstand bezit, bijvoorbeeld bestaat uit FeCo 50/50. ***** « t 8400873