RU2066891C1

RU2066891C1 - High-voltage vacuum switch

Info

Publication number: RU2066891C1
Application number: RU94031607A
Authority: RU
Inventors: В.С. Бочкарев; А.Т. Коновалов; М.М. Кулаков; Н.А. Кузнецов
Original assignee: Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов
Priority date: 1994-08-29
Filing date: 1994-08-29
Publication date: 1996-09-20
Also published as: RU94031607A

Abstract

FIELD: off-load switching of heavy-power high-frequency circuits. SUBSTANCE: switch has movable contact in the form of hollow flexible cylinder made of thin coiled band of nonmagnetic conducting thermoelastic metal, such as molybdenum; coil pitch equals band thickness; contact is loosely joined with thermal lead on inner surface of spherically rounded-off hole in cylindrical current lead or directly on external spherical rounded-off surface of conductor lead with guaranteed gap equal to half-sum of tolerated diameters of mated surfaces of conductor lead and movable contact. EFFECT: improved design. 5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к высоковольтным вакуумным переключателям (выключателям, реле), предназначенным для коммутации без нагрузки мощных высокочастотных высоковольтных электрических и радиотехнических цепей. The invention relates to electrical engineering, namely, to high-voltage vacuum switches (switches, relays) designed for switching without load powerful high-frequency high-voltage electrical and radio circuits.

Вакуумный переключатель может быть использован в стационарной, передвижной и бортовой электротехнической и радиотехнической аппаратуре для подключения источников питания и нагрузок; для переключения антенных цепей, резонансных контуров и отводов катушки высокочастотного контура; для коммутации между радиопередатчиками, радиопередатчиками и радиоприемниками, для подключения и отключения конденсаторов в высоковольтных цепях, антенно-согласующих устройствах, фильтрах подавления гармоник и т.д. The vacuum switch can be used in stationary, mobile and on-board electrical and radio equipment to connect power supplies and loads; for switching antenna circuits, resonant circuits and taps of the coil of a high-frequency circuit; for switching between radio transmitters, radio transmitters and radios, for connecting and disconnecting capacitors in high-voltage circuits, antenna matching devices, harmonic filters, etc.

Известные вакуумные переключатели (выклкючатели, реле), предназначенные для указанных выше целей, имеют ряд существенных недостатков. Known vacuum switches (switches, relays), designed for the above purposes, have a number of significant drawbacks.

Так ваккумное реле на переключение, описанное в [1] имеет низкую токопропукную способность. Обусловлено это в первую очередь малым эффективным рабочим сечением упругого подвижного контакта на высокой частоте вследствие "скин-эффекта" и наличия на его конце раздвоения, увеличивающего путь прохождения тока высокой частоты и потери мощности высокой частоты на нагрев контактов. Кроме того, жесткое крепление подвижного контакта на выводе требует значительного усилия на его упругую деформацию от среднего положения до замыкания на неподвижные контакты. В результате на эту же величину снижается контактное нажатие, что также способствует снижению токопропускной способности реле. Необходимо также отметить, что снижение контактного нажатия, в совокупности со значительной силой упругой реакции подвижного контакта, определяют и низкую устойчивость данного реле к воздействию ускорения механических нагрузок. Проявляется это в размыкании цепи замкнутых контактов и их недопустимом перегреве, особенно при совпадении силы упругой реакции с направлением ускорения механических нагрузок. Наряду с отмеченным, реле имеет значительную индуктивность из-за большого пути тока по подвижному контакту, вследствие наличия раздвоения на его конце, а поэтому низкую собственную резонансную частоту и сравнительно небольшой диапазон рабочих частот. So the vacuum switching relay described in [1] has a low current-carrying capacity. This is primarily due to the small effective working cross section of the elastic movable contact at high frequency due to the "skin effect" and the presence of a bifurcation at its end, which increases the path of the passage of high-frequency current and the loss of high-frequency power for heating the contacts. In addition, the rigid fastening of the movable contact at the terminal requires considerable effort on its elastic deformation from the middle position to the short circuit to the fixed contacts. As a result, the contact pressure is reduced by the same amount, which also contributes to a decrease in the current transmission capacity of the relay. It should also be noted that the decrease in contact pressure, together with a significant elastic reaction force of the movable contact, also determines the low resistance of this relay to the effects of acceleration of mechanical loads. This is manifested in the opening of the circuit of closed contacts and their unacceptable overheating, especially when the elastic reaction forces coincide with the direction of acceleration of mechanical loads. Along with the aforementioned, the relay has a significant inductance due to the large current path through the movable contact, due to the presence of a bifurcation at its end, and therefore a low natural resonant frequency and a relatively small range of operating frequencies.

Пропускаемый через токопроводник ток высокой частоты обычно повышают увеличением диаметра у круглого, толщины и (или) ширины у плоского токопроводника. The high-frequency current passed through the current conductor is usually increased by increasing the diameter of the round, the thickness and / or width of the flat conductor.

В рассмотренной выше конструкции вакуумного реле подвижный контакт выполнен в форме плоского токопроводника небольшой толщины, поэтому увеличение ее дает незначительное повышение эффективного рабочего сечения на высокой частоте. Наряду с этим, увеличение толщины подвижного контакта вызывает резкий рост его жесткости. В результате повышается усилие, необходимое для его упругой деформации от среднего положения, что требует повышения мощности электромагнита, а следовательно, массы и габаритов реле. Увеличение ширины подвижного контакта позволяет существенно повысить его эффективное рабочее сечение на высокой частоте, но одновременно требует увеличения габаритов и массы прибора. Обусловлено это необходимостью размещения такого контакта в ограниченном пространстве внутри вакуумированной оболочки, с обеспечением при этом требуемых электропрочности межконтактного зазора, межэлектродных емкостей и надежного сочленения с выводом подвижного контакта и якорем электромагнита. С учетом того, что при увеличении ширины подвижного контакта одновременно повышается необходимое усилие для его деформации, масса и габариты реле возрастают и за счет необходимости существенного повышения мощности электромагнита. In the above design of the vacuum relay, the movable contact is made in the form of a flat conductive wire of small thickness, so increasing it gives a slight increase in the effective working section at high frequency. Along with this, an increase in the thickness of the movable contact causes a sharp increase in its stiffness. As a result, the force required for its elastic deformation from the middle position increases, which requires an increase in the power of the electromagnet, and therefore, the mass and dimensions of the relay. The increase in the width of the movable contact can significantly increase its effective working cross section at a high frequency, but at the same time requires an increase in the dimensions and weight of the device. This is due to the need to place such a contact in a limited space inside the evacuated shell, while ensuring the required electrical strength of the contact gap, interelectrode capacitances and reliable articulation with the output of the movable contact and the armature of the electromagnet. Given the fact that with an increase in the width of the movable contact, the required force for its deformation simultaneously increases, the mass and dimensions of the relay increase due to the need to significantly increase the power of the electromagnet.

В конструкциях вакуумных реле на переключение [2, 3] подвеска подвижного контакта на выводе выполнена с помощью двух пуклевочных выступов, выполненных на лепестках из упругого металла и входящих в диаметрально расположенные углубления на выводе подвижного контакта. При такой подвеске создается шарнирное соединение подвижного контакта с выводом, подвижность в котором обеспечивается вращением подвижного контакта на пуклевочных выступах относительно углублений в выводе. По существу получается вращение подвижного контакта как бы на оси, что позволяет перемещать его в направлении замыкания и размыкания цепи неподвижных контактов при существенно меньшем противодействующем усилии, чем при жестком закреплении его на выводе. In the designs of vacuum relays for switching [2, 3], the suspension of the movable contact at the terminal is made using two convex protrusions made on the petals of elastic metal and included in diametrically located recesses at the terminal of the movable contact. With such a suspension, a swivel joint of the movable contact with the terminal is created, the mobility of which is ensured by the rotation of the movable contact on the bulge protrusions relative to the recesses in the terminal. In essence, the rotation of the movable contact is obtained, as it were, on the axis, which allows it to be moved in the direction of closing and opening the circuit of the fixed contacts with a significantly lower counteracting force than when it is rigidly fixed to the output.

За счет снижения противодействующего усилия повышается контактное нажатие без увеличения жесткости возвратной пружины и мощности электромагнита. Поэтому вакуумные реле с шарнирной подвеской подвижного контакта на выводе более устойчивы к воздействию механических нагрузок, чем в случае жесткого крепления упругого подвижного контакта на выводе. By reducing the opposing force increases contact pressing without increasing the rigidity of the return spring and the power of the electromagnet. Therefore, vacuum relays with a hinged suspension of a movable contact at the terminal are more resistant to mechanical stress than in the case of rigid fastening of the elastic movable contact at the terminal.

Однако и в реле с шарнирной подвеской плоского подвижного контакта на выводе по типу "оси вращения" проблема повышения токопропускной способности без увеличения массы и габаритов не решена. Обусловлено это теми же причинами, что и у реле с жестким креплением плоского упругого подвижного контакта на выводе. Более того, за счет дополнительных потерь мощности высокой частоты на контактном переходе в точках соприкосновения пуклевок подвижного контакта и углублений в выводе, вакуумные реле с шарнирной подвеской подвижного контакта имеют меньшую токопропускную способность в сравнении с жестким креплением на выводе подвижного упругого (гибкого) контакта. However, in a relay with an articulated suspension of a flat movable contact at the terminal of the “axis of rotation” type, the problem of increasing the current transmission capacity without increasing the mass and dimensions has not been solved. This is due to the same reasons as for relays with rigid fastening of a flat elastic movable contact at the output. Moreover, due to additional high-frequency power losses at the contact junction at the contact points of the movable contact puffs and recesses in the output, vacuum relays with a hinged suspension of the movable contact have less current transmission capacity in comparison with a rigid mount on the output of a flexible (flexible) contact.

Усугубляется это износом соприкасающихся в вакууме поверхностей пуклевок на контактах и углублений в выводе при длительной коммутации. Этот износ определяется большими силами "сухого" трения скольжения в вакууме между взаимодействующими при коммутации поверхностями пуклевочных выступов на подвижном контакте и углублений в выводе. Способствует повышению износа и сильное сжатие сопрягаемых поверхностей и несоосность пуклевок между собой и относительно углублений в выводе. В результате появления люфтов в паре "пуклевки-углубления", вакуумные реле с шарнирной подвеской подвижного контакта на выводе имеют худшую стабильность срабатывания при длительной коммутации. Наряду с отмеченным, люфты уменьшают контактное нажатие между контактирующими поверхностями пуклевок контакта и углублений в выводе, а также в зоне контактирования подвижного и неподвижного контактов. Таким образом, вакуумные реле с шарнирной подвеской подвижного контакта имеют худшую стабильность параметров при длительной коммутации, чем вакуумные реле с жестким креплением упругого подвижного контакта на выводе. This is exacerbated by the wear of the surfaces of the beetles in contact in a vacuum at the contacts and indentations in the output during prolonged switching. This wear is determined by the large forces of "dry" sliding friction in a vacuum between the surfaces of the protrusion protrusions on the movable contact and the recesses in the outlet, which interact when switching. Contributes to increased wear and strong compression of the mating surfaces and misalignment of the puppets between themselves and relative to the recesses in the output. As a result of the appearance of backlash in a pair of "puklevki-recesses", vacuum relays with a hinged suspension of a movable contact at the output have worse stability when tripping. Along with the aforementioned, backlash reduces contact pressing between the contacting surfaces of the contact beams and recesses in the output, as well as in the contact area of the movable and fixed contacts. Thus, vacuum relays with a hinged suspension of a movable contact have worse parameter stability during long-term switching than vacuum relays with a rigid fastening of an elastic movable contact at the output.

Ближайшим техническим решением является конструкция вакуумного переключателя, предложенная в [4] Сущность решения состоит в том, что повышение пропускаемого тока высокой частоты в этом переключателе достигнуто применением П (V)-образного упругого ленточного контакта, размещенного в зазоре между неподвижными контактами и жестко закрепленного концами боковых пластин на выводе подвижного контакта, с которым спаяна тонкостенная мембрана. Такое решение позволяет более, чем в два раза увеличить эффективное рабочее сечение подвижного контакта на высокой частоте, а следовательно, и величину пропускаемого тока высокой частоты. The closest technical solution is the design of the vacuum switch proposed in [4]. The essence of the solution is that an increase in the transmitted high-frequency current in this switch is achieved by using a P (V) -shaped elastic tape contact located in the gap between the fixed contacts and rigidly fixed to the ends side plates at the terminal of the movable contact with which the thin-walled membrane is soldered. This solution allows you to more than double the effective working cross section of the movable contact at a high frequency, and therefore the magnitude of the transmitted high frequency current.

Однако и этот вакуумный переключатель имеет существенные недостатки, основные из которых заключаются в следующем. Во-первых, у него не устранены недостатки, присущие вакуумным реле с жестким креплением плоского упругого подвижного контакта на выводе. Кроме того, обеспечение перемещения верхней части П-образного подвижного контакта требует наличия гарантированного зазора между боковой поверхностью стержневого контакта и поверхностью отверстия в верхней части подвижного П-образного контакта. В совокупности с допусками на изготовление деталей этот люфт снижает контактное нажатие, поскольку часть перемещения подвижного контакта идет на преодоление "паразитного" зазора (люфта), а не на контактное нажатие. Снижение контактного нажатия вызывает увеличение сопротивления замкнутых контактов, а следовательно, потерь мощности высокой частоты на их нагрев, и повышение вероятности размыкания цепи замкнутых контактов при воздействии ускорения внешних механических нагрузок. Следствием этого является снижение надежности и долговечности таких приборов. Контактное нажатие в них существенно снижается и вследствие жесткого крепления П-образного подвижного контакта на выводе, ибо на его упругую деформацию требуется большее дополнительное усилие, чем в случае шарнирного крепления. Чтобы контактное нажатие не снижалось, требуется увеличение мощности электромагнитной системы управления, для чего необходимо увеличивать габариты и массу прибора или же снижать величину пропускаемого тока высокой частоты и ускорение внешних механических нагрузок, при сохранении массы и габаритов переключателя. Повысить пропускаемый ток высокой частоты за счет увеличения эффективного рабочего сечения П-образного ленточного подвижного контакта не представляется возможным, ибо увеличение его толщины, как отмечалось выше, дает незначительное повышение эффективного рабочего сечения ленточного контакта на высокой частоте, а увеличение его ширины ведет к необходимости резкого увеличения габаритов и массы прибора. However, this vacuum switch has significant drawbacks, the main of which are as follows. Firstly, it does not eliminate the disadvantages inherent in a vacuum relay with a rigid mount of a flat elastic movable contact on the output. In addition, ensuring the movement of the upper part of the U-shaped movable contact requires a guaranteed gap between the lateral surface of the rod contact and the surface of the hole in the upper part of the movable U-shaped contact. Together with tolerances for the manufacture of parts, this play reduces contact pressure, since part of the movement of the movable contact is to overcome the "spurious" gap (play), and not contact contact. A decrease in contact pressing causes an increase in the resistance of closed contacts, and consequently, high-frequency power losses for their heating, and an increase in the probability of opening a circuit of closed contacts when exposed to acceleration of external mechanical loads. The consequence of this is a decrease in the reliability and durability of such devices. Contact pressing in them is significantly reduced due to the rigid fastening of the U-shaped movable contact at the output, because its elastic deformation requires more additional force than in the case of articulated mounting. In order for contact pressing not to decrease, an increase in the power of the electromagnetic control system is required, for which it is necessary to increase the dimensions and weight of the device or to reduce the amount of transmitted high-frequency current and the acceleration of external mechanical loads, while maintaining the mass and dimensions of the switch. It is not possible to increase the transmitted high-frequency current by increasing the effective working section of the U-shaped tape movable contact, because an increase in its thickness, as noted above, gives a slight increase in the effective working section of the tape contact at a high frequency, and an increase in its width leads to a sharp increase in dimensions and weight of the device.

Таким образом, в рассмотренных выше конструкциях вакуумных переключателей и вакуумных реле на переключение проблема существенного повышения пропускаемого тока без увеличения их массы и габаритов не нашла эффективного решения. Thus, in the above designs of vacuum switches and vacuum relays for switching, the problem of a significant increase in the transmitted current without increasing their mass and dimensions did not find an effective solution.

Cущность изобретения заключается в том, что вакуумный переключатель, содержащий укрепленные в вакуумированной камере высоковольтные неподвижные выводы-контакты, расположенный в зазоре между ними подвижный контакт, через изолятор и сильфонный узел подвижно соединенный с электромагнитной системой управления поляризованного типа, отличается тем, что подвижный контакт в нем выполнен в форме полого упругого цилиндра из свернутой в многослойную спираль тонкой ленты из немагнитного высокопроводящего термоупругого металла, например, из молибдена, причем шаг спирали выполнен равным толщине ленты, а контакт сочленен подвижно с выводом либо по внутренней поверхности сферически скругленного отверстия в цилиндрическом токопроводнике вывода, либо непосредственно по внешней сферически скругленной поверхности вывода-токопроводника, диаметры которых выполнены, соответственно, больше сопредельного диаметра подвижного контакта на полусумму допусков на диаметры сопрягаемых поверхностей. The essence of the invention lies in the fact that the vacuum switch containing the high-voltage fixed conclusions-contacts fixed in the evacuated chamber, the movable contact located in the gap between them, through the insulator and the bellows assembly movably connected to the polarized electromagnetic control system, characterized in that the movable contact in it is made in the form of a hollow elastic cylinder from a thin tape rolled into a multilayer spiral from a non-magnetic highly conductive thermoelastic metal, for example, from ibdena, the spiral pitch being equal to the thickness of the tape, and the contact movably connected to the terminal either on the inner surface of the spherically rounded hole in the cylindrical terminal conductor or directly on the outer spherically rounded surface of the terminal-current conductor, the diameters of which are, respectively, larger than the adjacent diameter of the movable contact half the tolerances on the diameters of the mating surfaces.

Сопоставительный анализ с известными техническими решениями позволяет сделать вывод о том, что заявляемый высоковольтный вакуумный переключатель отличается тем, что у него подвижный контакт выполнен в форме полого упругого цилиндра из свернутой в многослойную спираль тонкой ленты из немагнитного высокопроводящего металла, например, из молибдена, причем шаг спирали выполнен равным толщине ленты, а контакт сочленен подвижно с выводом либо по внутренней поверхности сферически скругленного отверстия в цилиндрическом токопроводнике вывода, либо непосредственно по внешней сферически скругленной поверхности вывода (токопроводника), диаметры которых выполнены, соответственно, больше сопредельного диаметра подвижного контакта на полусумму допусков на диаметры сопрягаемых поверхностей. Таким образом, заявляемый высоковольтный вакуумный переключатель соответствует критерию изобретения "новизна". Анализ известных технических решений в исследуемой области электротехники [1-4] позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемом высоковольтном вакуумном переключателе, и признать заявляемое техническое решение соответствующим изобретательскому уровню. Comparative analysis with known technical solutions allows us to conclude that the inventive high-voltage vacuum switch is characterized in that it has a movable contact made in the form of a hollow elastic cylinder from a thin tape rolled from a multilayer spiral made of non-magnetic highly conductive metal, for example, molybdenum, and the step the spiral is made equal to the thickness of the tape, and the contact is movably connected to the terminal or along the inner surface of a spherically rounded hole in the cylindrical conductor ode, or directly on the outer spherically rounded surface of the output (current conductor), the diameters of which are, respectively, greater than the adjacent diameter of the movable contact by half the tolerances on the diameters of the mating surfaces. Thus, the claimed high-voltage vacuum switch meets the criteria of the invention of "novelty." An analysis of the known technical solutions in the studied field of electrical engineering [1-4] allows us to conclude that there are no signs in them that are similar to the distinctive features in the claimed high-voltage vacuum switch, and to recognize the claimed technical solution corresponding to the inventive step.

Применение в предлагаемом вакуумном переключателе подвижного контакта в форме полого упругого цилиндра из свернутой в многослойную спираль тонкой ленты из немагнитного высокопроводящего термоупругого металла, шаг которой выполнен равным толщине ленты, и сочленение его с выводом либо по внутренней поверхности сферически скругленного отверстия в цилиндрическом токопроводнике вывода, либо непосредственно по внешней сферически скругленной поверхности вывода (токопроводника), диаметры которых выполнены, соответственно, больше сопредельного диаметра подвижного контакта на полусумму допусков на диаметры сопрягаемых поверхностей, устраняет недостатки, имеющиеся при использовании подвижного контакта плоской или П-образной формы, жестко или шарнирно закрепленного на выводе. The use in the proposed vacuum switch of a movable contact in the form of a hollow elastic cylinder made of a thin tape of a nonmagnetic highly conductive thermoelastic metal rolled into a multilayer spiral, the step of which is equal to the thickness of the tape, and its articulation with a terminal either on the inner surface of a spherically rounded opening in a cylindrical terminal conductor, or directly along the outer spherically rounded surface of the terminal (current-conducting conductor), the diameters of which are made, respectively, more than the diameter of the movable contact for half the tolerances on the diameters of the mating surfaces, eliminates the disadvantages that exist when using a movable contact flat or U-shaped, rigidly or pivotally mounted on the output.

Выполнение подвижного контакта в форме полого цилиндра более чем в 1,5 раза повышает эффективное рабочее сечение на высокой частоте в сравнении с его выполнением П-образной формы, ибо максимальный периметр вписанного в цилиндр П-образного контакта равен 2 Дц, в то время как периметр цилиндрического контакта равен nДц (Dц-диаметр цилиндрического полого контакта). Благодаря отмеченному, повышена токопропускная способность переключателя способность переключателя без увеличения его массы и габаритов. Также отметим, что выполнение контакта цилиндрическим позволяет снизить напряженность электрического поля в межконтактном зазоре, так как в этом случае из межконтактного зазора устраняются острые кромки по вырубному контуру пластин, имеющие место в плоском или П-образном контакте. В результате повышается электропрочность переключателя при длительной эксплуатации. Making a movable contact in the form of a hollow cylinder more than 1.5 times increases the effective working cross section at a high frequency in comparison with its execution of a U-shape, because the maximum perimeter of the U-shaped contact inscribed in the cylinder is 2 Dc, while the perimeter the cylindrical contact is equal to nДц (Dц-diameter of the cylindrical hollow contact). Due to the aforementioned, the current transmission capacity of the switch is increased, the ability of the switch without increasing its mass and dimensions. We also note that the cylindrical contact makes it possible to reduce the electric field strength in the contact gap, since in this case, sharp edges along the cutting contour of the plates that occur in a flat or U-shaped contact are eliminated from the contact contact gap. As a result, the electric strength of the switch increases during long-term operation.

В известных конструкциях вакуумных переключателей (реле, выключателей) имеет место одноточечный контакт подвижного и неподвижного контактов. В отличии от этого, выполнение цилиндрического подвижного контакта упругим обеспечивает многоточечное контактирование подвижного и неподвижного контактов. В начальный момент замыкания имеет место линейный контакт, поскольку контактируют плоская (неподвижного) и цилиндрическая (подвижного) поверхности контактов, причем длина линии контактирования определяется толщиной неподвижного контакта. При дальнейшем перемещении подвижного контакта, для создания контактного нажатия, прилегающая к неподвижному контакту боковая поверхность подвижного контакта упруго "сплющивается" и линейное их контактирование переходит в контактирование по плоскости. В результате увеличения при этом действительной площади соприкосновения контактов снижается контактное сопротивление и потери мощности высокой частоты на их нагрев, что также способствует повышению токопропускной способности вакуумного переключателя с такой контактной группой в сравнении с переключателями с плоским или П-образным подвижным контактом при одинаковых массе и габаритах приборов. Кроме того, выполнение цилиндрического контакта упругим обеспечивает демпфирование ударного импульса в момент замыкания контактов, что практически полностью устраняет пластическую деформацию контактирующей поверхности неподвижного контакта из меди. Сохранение в результате неизменным межконтактного зазора обеспечивает стабильность электрических параметров при длительной коммутации, а также надежную работу прибора при длительной эксплуатации в условиях воздействия жестких механических и климатических нагрузок. In known designs of vacuum switches (relays, circuit breakers) there is a single point contact of the movable and fixed contacts. In contrast, the implementation of a cylindrical movable contact elastic provides multi-point contacting the movable and fixed contacts. At the initial instant of closure, a linear contact takes place, since the flat (fixed) and cylindrical (movable) surfaces of the contacts are in contact, and the length of the contact line is determined by the thickness of the fixed contact. With further movement of the movable contact, to create contact pressing, the lateral surface of the movable contact adjacent to the stationary contact is elastically "flattened" and their linear contact goes into plane contact. As a result of the increase in the actual contact area of the contacts, the contact resistance and the loss of high-frequency power to heat them are reduced, which also contributes to an increase in the current transmission capacity of a vacuum switch with such a contact group in comparison with switches with a flat or U-shaped movable contact with the same weight and dimensions appliances. In addition, the execution of the cylindrical contact elastic provides damping of the shock pulse at the moment of contact closure, which almost completely eliminates the plastic deformation of the contacting surface of the fixed contact made of copper. Keeping the contact gap as a result of unchanged ensures the stability of electrical parameters during long-term switching, as well as reliable operation of the device during long-term operation under conditions of severe mechanical and climatic loads.

Выполнение подвижного контакта из свернутой в многослойную спираль ленты обеспечивает требуемое сечение теплоотвода при сохранении высокой степени упругой деформации (сплющивания) цилиндра при небольшом воздействующем усилии. Этому способствует и выполнение спирали из тонкой ленты, хотя требуемое сечение теплоотвода может быть получено и при использовании одного витка из толстой ленты. Однако в последнем случае цилиндрический контакт будет жестким, т.е. теряются все преимущества упругого цилиндрического контакта. Кроме того, выполнение подвижного контакта из свернутой в многовитковую спираль ленты с шагом спирали, равным толщине ленты, снижает время дребезга контактов при замыкании цепи, поскольку возникающие в момент замыкания упругие колебания в контакте быстро гасятся благодаря большим силам трения в вакууме между трущимися при деформации в момент замыкания контактов сопредельными поверхностями витков спирали из ленты. Performing a movable contact from a tape rolled into a multilayer spiral provides the required heat sink section while maintaining a high degree of elastic deformation (flattening) of the cylinder with a small acting force. This is facilitated by the implementation of a spiral from a thin tape, although the required heat sink cross section can be obtained by using one turn of a thick tape. However, in the latter case, the cylindrical contact will be rigid, i.e. all the advantages of elastic cylindrical contact are lost. In addition, making a movable contact from a tape rolled into a multi-turn spiral with a spiral pitch equal to the thickness of the tape reduces the time of contact bounce when the circuit is closed, since the elastic vibrations that occur at the moment of closure are quickly damped due to the large friction forces in the vacuum between the rubbing under deformation during the moment of contact closure by the adjacent surfaces of the turns of the spiral from the tape.

Применение в качестве материала многовитковой спирали немагнитного высокопроводящего металла устраняет потери мощности высокой частоты на вихревые токи и снижает омические потери при пропускании тока высокой частоты через замкнутые контакты. В результате снижается нагрев контактов, что способствует повышению токопропускной способности и надежности работы переключателя. Применение термоупругого металла обеспечивает сохранение упругих свойств и формы подвижного контакта в процессе и после вакуумно-термической обработки вакуумного переключателя и надежную его работу при длительном пропускании тока высокой частоты. The use of a non-magnetic highly conductive metal as the material of a multi-turn spiral eliminates high-frequency power losses due to eddy currents and reduces ohmic losses when high-frequency current is passed through closed contacts. As a result, the heating of the contacts is reduced, which contributes to an increase in the current transmission capacity and reliability of the switch. The use of thermoelastic metal ensures the preservation of the elastic properties and shape of the movable contact during and after the vacuum-thermal treatment of the vacuum switch and its reliable operation with prolonged transmission of high-frequency current.

Выполнение сочленения подвижного контакта с выводом либо по внутренней поверхности сферически скругленного отверстия в цилиндрическом токопроводнике вывода, либо непосредственно по внешней сферически скругленной поверхности вывода обеспечивает перекатывание подвижного контакта по их сферической поверхности без ухудшения контактирования. Высокая подвижность сочленения достигнута при этом благодаря выполнению его с гарантированным зазором, равным полусумме допусков на диаметры сопрягаемых поверхностей вывода (токопроводника) и подвижного контакта. При меньшем зазоре существенно ухудшается подвижность сочленения, приводящая к его заклиниванию при длительной коммутации, хотя при этом и достигается минимальное сопротивление контактного перехода. При большем зазоре, наоборот, повышается подвижность сочленения, но резко ухудшается надежность контактирования, а следовательно, и токопропускная способность такого сочленения. The articulation of the movable contact with the terminal either on the inner surface of the spherically rounded hole in the cylindrical conductor of the terminal or directly on the outer spherically rounded surface of the terminal ensures rolling of the movable contact along their spherical surface without deterioration of contact. High mobility of the joint is achieved due to its implementation with a guaranteed gap equal to half the tolerances on the diameters of the mating surfaces of the output (conductor) and movable contact. With a smaller gap, the mobility of the joint worsens significantly, leading to its jamming during prolonged switching, although at the same time the minimum resistance of the contact transition is achieved. With a larger gap, on the contrary, the mobility of the joint increases, but the reliability of contacting, and therefore the current transmission capacity of such a joint, sharply worsens.

Таким образом, совокупность отмеченных выше признаков позволяет получить технический результат, заключающийся в повышении пропускаемого тока высокой частоты и электропрочности при длительной эксплуатации, в обеспечении стабильности электрических параметров при длительной коммутации и надежной работы прибора при эксплуатации в условиях воздействия жестких механических и климатических нагрузок. Thus, the combination of the above signs allows to obtain a technical result, which consists in increasing the transmitted current of high frequency and electric strength during long-term operation, in ensuring the stability of electrical parameters during long-term switching and reliable operation of the device during operation under conditions of severe mechanical and climatic loads.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого высоковольтного вакуумного переключателя; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 подвижный контакт в увеличенном масштабе с указанием зоны точечной сварки; на фиг. 4 вид I на фиг. 1 в увеличенном масштабе, на фиг. 5 вариант сочленения подвижного контакта неподвижного контакта непосредственно по внешней поверхности вывода-токопроводника. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a General view of the proposed high-voltage vacuum switch; in FIG. 2 is a section along AA in FIG. 1; in FIG. 3 movable contact on an enlarged scale indicating the spot welding zone; in FIG. 4 view I in FIG. 1 on an enlarged scale, in FIG. 5, an articulation of a movable contact of a fixed contact directly on the outer surface of the lead-conductor.

Возможность осуществления изобретения подтверждается представлением конструкции вакуумного переключателя во взаимосвязи входящих в него элементов. Переключатель состоит из металлокерамической оболочки с вакуумированной контактной группой, механизма перемещения подвижного контакта и электромагнитной системы управления подвижным контактом поляризованного типа. The possibility of carrying out the invention is confirmed by the representation of the design of the vacuum switch in the relationship of its constituent elements. The switch consists of a ceramic-metal shell with a vacuum contact group, a moving contact moving mechanism, and a polarized type moving contact electromagnetic control system.

Металлокерамическая оболочка состоит из трех одинаковых соосно расположенных керамических цилиндров 1. Между ними расположены медные неподвижные выводы-контакты 2а и 2б, которые вакуумплотно припаяны к торцевым металлизированным поверхностям керамических цилиндров с помощью твердого припоя. Выводы 2а и 2б развернуты на 180^o друг относительно друга, что позволяет использовать в приборе один и тот же вывод. Кроме того, такое расположение выводов-контактов 2 снижает межконтактную емкость. В зоне пайки с керамикой выводы 2 утончены для снижения механических напряжений в спаянном узле из-за разных коэффициентов термического линейного расширения керамики и меди. К торцу верхнего керамического кольца вакуумплотно припаян вывод 3, к которому с вакуумной стороны узла механически прочно припаян токопроводник 4 в форме цилиндра, служащий для соединения с подвижным цилиндрическим контактом 19. По центру вывода 3 вакуумплотно припаян штенгель 5, служащий для откачки газов из внутренней полости переключателя в процессе вакуумно-термической обработки. После ее завершения штенгель 5 вакуумплотно пережимается, а затем защищается колпачком 6, который крепится на штенгеле 5 с помощью эпоксидного клея. В кольцевой канавке вывода 3 механически прочно припаяна шайба 7 из молибдена, назначение которой состоит в компенсации механических напряжений в спае вывода 3 с керамическим цилиндром 1, обусловленных разными коэффициентами термического линейного расширения меди и керамики. К торцу нижнего керамического цилиндра вакуумплотно по торцу припаяно тонкостенное переходное кольцо 8 из медноникелевого сплава, служащее для вакуумплотного соединения металлокерамической оболочки с узлом перемещения подвижного контакта, например, с помощью шовной сварки в среде аргона. С переходным кольцом 8 механически прочно спаян фланец 26, используемый для крепления переключателя на рабочем месте в аппаратуре.The ceramic-metal shell consists of three identical coaxially arranged ceramic cylinders 1. Between them there are fixed copper terminals-contacts 2a and 2b, which are vacuum-tightly soldered to the end metallized surfaces of the ceramic cylinders using solder. Conclusions 2a and 2b are rotated 180 ^o relative to each other, which allows you to use the same output in the device. In addition, this arrangement of the terminals-contacts 2 reduces the contact capacitance. In the soldering zone with ceramics, conclusions 2 are thinned to reduce mechanical stresses in the soldered assembly due to different coefficients of thermal linear expansion of ceramics and copper. The terminal 3 is vacuum-tightly soldered to the end of the upper ceramic ring, to which the cylinder-shaped conductor 4, mechanically connected to the movable cylindrical contact 19, is mechanically firmly soldered to the end of the upper ceramic ring. switch in the process of vacuum-heat treatment. After its completion, the plug 5 is vacuum tightly clamped, and then protected by a cap 6, which is attached to the plug 5 with epoxy glue. In the annular groove of terminal 3, a molybdenum washer 7 is mechanically firmly soldered, the purpose of which is to compensate for mechanical stresses in the joint of terminal 3 with the ceramic cylinder 1, due to different coefficients of thermal linear expansion of copper and ceramic. A thin-walled transition ring 8 made of a copper-nickel alloy is vacuum-tightly soldered to the end of the lower ceramic cylinder, which serves for the vacuum-tight connection of the ceramic-metal shell with the moving contact moving assembly, for example, by seam welding in argon. With the adapter ring 8, the flange 26 is mechanically firmly soldered, used to fasten the switch to the workplace in the equipment.

Узел перемещения подвижного контакта состоит из основания 9, стакана 10, втулки 11, штока 12, осей 13 и 14, сильфона 15, заглушки 16, керамического изолятора 17, держателя 18 и подвижного контакта 19. Втулка 11 сварена со стаканом 10 и вакуумплотно спаяна с основанием 9. Во втулке 11 закреплена ось 14, на которой в направлении замыкания цепи вращается (покачивается) шток 12. В верхней части к штоку 12 вакуумплотно припаяна заглушка 16, с которой механически прочно спаян керамический изолятор 17, второй конец которого механически прочно спаян с держателем 18. В нем механически прочно закреплена ось 13, на которой в направлении замыкания цепи на неподвижные выводы-контакты 2а и 2б вращается подвижный контакт 19 в форме упругого цилиндра из свернутой в многослойную виток к витку спирали из тонкой ленты, концы которой скреплены с ближайшим витком с помощью сварки. Верхней частью подвижный контакт 19 упруго и подвижно сочленен с токопроводником 4, внутренняя поверхность отверстия в котором сферически скруглена для обеспечения перекатывания по ней цилиндрической поверхности подвижного контакта 19 при замыкании и размыкании цепи неподвижных выводов-контактов 2а и 2б. К заглушке 16 и основанию 9 вакуумплотно припаян сильфон 15, используемый одновременно в качестве разделителя сред "вакуум-атмосфера" и гибкого элемента передачи движения от электромагнитной системы управления поляризованного типа к подвижному контакту 19. The moving contact displacement assembly consists of a base 9, a glass 10, a sleeve 11, a rod 12, axles 13 and 14, a bellows 15, a plug 16, a ceramic insulator 17, a holder 18, and a movable contact 19. The sleeve 11 is welded to the glass 10 and vacuum sealed with base 9. In the sleeve 11, an axis 14 is fixed on which the rod 12 rotates (swings) in the direction of circuit closure. At the top, a plug 16 is vacuum-sealed to the rod 12, with which the ceramic insulator 17 is mechanically firmly soldered, the second end of which is mechanically firmly soldered to holder 18. In it m mechanically firmly fixed axle 13, which in the direction of the circuit by 2a and 2b fixed terminals contacts rotates the movable contact 19 in the form of elastic cylinder of rolled into multilayered coil to the coil of the spiral of a thin strip whose ends are fastened to the next coil by welding. The upper part of the movable contact 19 is resiliently and movably coupled to the conductor 4, the inner surface of the hole in which is spherically rounded to ensure that the cylindrical surface of the movable contact 19 rolls over it when the fixed terminals-contacts 2a and 2b are closed and opened. A bellows 15, used simultaneously as a vacuum-atmosphere separator and a flexible element of motion transmission from a polarized electromagnetic control system to a movable contact 19, is vacuum-sealed to the plug 16 and base 9.

Электромагнитная система управления включает катушку электромагнита 20, сердечник 21, поводок 22, корпус электромагнита 23, основание 24 и две резьбовые втулки 25. Внутри корпуса электромагнита 23 из магнитомягкого металла размещена катушка электромагнита 20. Со стороны выводов обмотки управления корпус 23 закрыт основанием 24 из магнитомягкого металла. По центру основания корпуса 23 и основания 24 расположены резьбовые втулки 25 из магнитомягкого металла, предназначенные для регулирования хода сердечника 21, путем их ввинчивания и вывинчивания при установке оптимального контактного нажатия в каждой из пар замкнутых контактов. По завершению регулировки втулки 25 жестко закрепляются в основаниях, например, с помощью сварки. Движение от сердечника 21, через механически прочно закрепленный в нем поводок 22, передается на шток 12, в торцевое отверстие которого вставляется сферическая головка поводка 22, обеспечивая тем самым шарнирную их связь. The electromagnetic control system includes an electromagnet coil 20, a core 21, a lead 22, an electromagnet case 23, a base 24, and two threaded sleeves 25. An electromagnet coil 20 is placed inside the electromagnet 23 body from magnetically soft metal 20. The housing 23 is closed from the terminals of the control winding by the magnetically soft base 24 metal. In the center of the base of the housing 23 and the base 24 are threaded bushings 25 made of soft magnetic metal, designed to regulate the stroke of the core 21 by screwing and unscrewing when setting the optimal contact pressure in each of the pairs of closed contacts. Upon completion of the adjustment of the sleeve 25 is rigidly fixed in the bases, for example, by welding. The movement from the core 21, through a leash 22 mechanically firmly fixed in it, is transmitted to the rod 12, into the end hole of which the spherical head of the leash 22 is inserted, thereby providing their articulated connection.

Принцип работы переключателя заключается в следующем. Контактная система переключателя состоит из двух неподвижных выводов-контактов и одного подвижного контакта, размещенных с определенным зазором относительно друг друга в вакууме внутри металлокерамической оболочки. Поскольку вакуумный переключатель имеет электромагнитную систему управления поляризованного типа (с постоянными магнитами), то он потребляет электроэнергию на управление только в момент срабатывания (переключения) контактов. The principle of operation of the switch is as follows. The contact system of the switch consists of two fixed terminals-contacts and one movable contact, placed with a certain gap relative to each other in a vacuum inside the cermet. Since the vacuum switch has an electromagnetic control system of a polarized type (with permanent magnets), it consumes electric power for control only at the moment of operation (switching) of the contacts.

В исходном состоянии подвижный контакт 19 замкнут на один из неподвижных выводов-контактов, например, на вывод-контакт 2б. В этом случае ток высокой частоты проходит с вывода 3 через токопроводник 4, контактный переход между сферической поверхностью отверстия в токопроводнике 4 и внешней поверхностью подвижного контакта 19, подвижный контакт 19, контактный переход между внешней поверхностью подвижного контакта 19 и плоской поверхностью вывода-контакта 2б и далее через вывод-контакт 2б. In the initial state, the movable contact 19 is closed to one of the fixed conclusions-contacts, for example, to the output-contact 2b. In this case, the high-frequency current passes from terminal 3 through the current-carrying conductor 4, the contact transition between the spherical surface of the hole in the current-conducting conductor 4 and the outer surface of the movable contact 19, the movable contact 19, the contact transition between the outer surface of the movable contact 19 and the flat surface of the output-contact 2b, and further through the output-contact 2b.

Для переключения подвижного контакта 19 на неподвижный вывод-контакт 2а, на соответствующую обмотку управления электромагнита подается управляющий импульс напряжения с полярностью, создающей в ней управляющий магнитный поток противоположно направленный к магнитному потоку постоянных магнитов в этой ветви. При достижении равенства поляризующего и управляющего магнитных потоков происходит переброс сердечника во второе устойчивое состояние, а именно, ко втулке 25 корпуса электромагнита 23, где он удерживается полем поляризующих постоянных магнитов второй ветви. При перемещении сердечника 21 вместе с ним и в том же направлении перемещается жестко закрепленный в нем поводок 22. За счет шарнирного соединения его сферического конца с отверстием в штоке 12, последний, вращаясь на оси 14, деформирует сильфон 15. При этом нижний конец штока 12 перемещается в направлении движения сердечника 21, а верхний его конец перемещается в противоположном направлении, а именно, в направлении к выводу-контакту 2а. Поскольку со штоком 12 жестко скреплен изолятор 17 и держатель 18, на котором с помощью оси 13 подвешен подвижный контакт 19, то одновременно и в том же направлении к выводу-контакту 2а начинает перемещаться и подвижный контакт 19. При этом он вращается на оси 13, имея опору упругого качения в зоне сочленения его верхнего конца со сферической поверхностью отверстия в токопроводнике 4, благодаря чему требуется значительно меньшее усилие для замыкания контактов в сравнении с жесткой подвеской подвижного контакта на выводе. Кинематическая схема переключателя подобрана таким образом, что замыкание контактов происходит несколько раньше, чем сердечник 21 достигнет торца втулки 25. При дальнейшем движении сердечника 21 до упора на нее, за счет деформации (сплющивания) цилиндрического упругого подвижного контакта 19 создается необходимое контактное нажатие, обеспечивается плоскостное контактирование подвижного контакта 19 с выводом-контактом 2а. Во втором устойчивом положении подвижного контакта 19 ток высокой частоты идет с вывода 3 через токопроводник 4, контактный переход между поверхностью отверстия в токопроводнике 4 и внешней поверхностью подвижного контакта 19, подвижный контакт 19, контактный переход между контактом 19 и выводом-контактом 2а и далее через вывод-контакт 2а. To switch the movable contact 19 to the fixed terminal-contact 2a, a control voltage pulse with a polarity is supplied to the corresponding control winding of the electromagnet, creating a control magnetic flux in it opposite to the magnetic flux of permanent magnets in this branch. When equality of polarizing and controlling magnetic fluxes is achieved, the core is transferred to a second stable state, namely, to the sleeve 25 of the body of the electromagnet 23, where it is held by the field of polarizing permanent magnets of the second branch. When moving the core 21 along with it in the same direction, the leash 22 rigidly fixed in it moves due to the articulated connection of its spherical end with the hole in the rod 12, the latter, rotating on the axis 14, deforms the bellows 15. The lower end of the rod 12 moves in the direction of movement of the core 21, and its upper end moves in the opposite direction, namely, in the direction of the terminal-pin 2a. Since the insulator 17 and the holder 18 are rigidly fixed to the rod 12, on which the movable contact 19 is suspended using the axis 13, then the movable contact 19 also starts moving in the same direction to the terminal-contact 2a. In doing so, it rotates on the axis 13, having a support of elastic rolling in the zone of articulation of its upper end with the spherical surface of the hole in the current conductor 4, which requires significantly less force to close the contacts in comparison with the rigid suspension of the movable contact at the output. The kinematic circuit of the switch is selected in such a way that the contact closure occurs somewhat earlier than the core 21 reaches the end face of the sleeve 25. With further movement of the core 21 until it abuts against it, due to deformation (flattening) of the cylindrical elastic movable contact 19, the necessary contact pressing is created, and plane contact is provided contacting the movable contact 19 with the terminal-contact 2A. In the second stable position of the movable contact 19, the high-frequency current flows from terminal 3 through the current conductor 4, the contact transition between the surface of the hole in the current conductor 4 and the outer surface of the movable contact 19, the movable contact 19, the contact transition between the contact 19 and the output-contact 2a and then through pin 2a.

Источники информации:
1. Патент США N 3238324, кл. 200-87, 1966.Information sources:
1. US patent N 3238324, CL 200-87, 1966.

2. Патент США N 3296568, кл. 335-14, 1967. 2. US Patent N 3296568, cl. 335-14, 1967.

3. Авт. свид. СССР N 826443, кл. Н 01 Н 33/66, 1981. 3. Auth. testimonial. USSR N 826443, class H 01 H 33/66, 1981.

4. Авт. свид. СССР N 938327, кл. Н 01 Н 33/66, 1982. 4. Auth. testimonial. USSR N 938327, class H 01 H 33/66, 1982.

Claims

1. A high-voltage vacuum switch comprising high-voltage fixed terminals-contacts fixed in a vacuum chamber, a movable contact located in the gap between them, movably connected through an insulator and a bellows assembly with a polarized electromagnetic control system, characterized in that the movable contact is made in the form of a hollow elastic a cylinder from a thin tape rolled from a multilayer spiral made of a non-magnetic highly conductive thermoelastic metal, such as molybdenum.

2. The switch according to claim 1, characterized in that the step of the spiral is made equal to the thickness of the tape.

3. The switch according to claim 1, characterized in that the articulation of the movable contact with the output is made on the surface of a spherically rounded hole in the cylindrical output conductor.

4. The switch according to claims 1 to 3, characterized in that the articulation of the movable contact is made directly along the spherically rounded external surface of the output conductor.

5. The switch according to claims 1 to 4, characterized in that the articulation of the movable contact with the output is made with a guaranteed clearance equal to half the sum of the tolerances on the diameters of the mating surfaces of the lead-conductor and the movable contact.