WO2023046562A1 - Herstellungsverfahren für ein kontaktelement für vakuum-schalter, kontaktelement sowie vakuumschalter - Google Patents

Herstellungsverfahren für ein kontaktelement für vakuum-schalter, kontaktelement sowie vakuumschalter Download PDF

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WO2023046562A1
WO2023046562A1 PCT/EP2022/075611 EP2022075611W WO2023046562A1 WO 2023046562 A1 WO2023046562 A1 WO 2023046562A1 EP 2022075611 W EP2022075611 W EP 2022075611W WO 2023046562 A1 WO2023046562 A1 WO 2023046562A1
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contact
conductive material
contact element
powder
die
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PCT/EP2022/075611
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Hermann BÖDINGER
Frank Graskowski
Eckehard Isenberg
Carsten Schuh
Kira Berdien WÜSTENBERG
Alexander Ziefle
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
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    • 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 novel production method for a contact element for vacuum switches, a contact element that is produced or can be produced according to the method, and a vacuum switch with such a contact element.
  • Vacuum interrupters for the low, medium and high voltage range are used in particular to switch off currents greater than a few kiloamperes, so-called radial or axial magnetic field contacts (RMF or AMF contacts).
  • RMF radial or axial magnetic field contacts
  • Structure, function and operating principles of such contact elements in conventional construction are, for example, in the dissertation published in 2003, "Modeling of the plasma in the vacuum circuit breaker taking into account axial magnetic fields" by K. Jenkes-Botterweck, available online at http://publications. rwth-aachen, de/ record/ 58842, comprehensively described.
  • 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; on which the contact disc is placed.
  • the bobbins are preferably made from copper bar stock or from preformed copper compacts.
  • the magnetic field generation by the often called hollow Cylinder running coil body is achieved by an appropriate Schitz zgabe.
  • the contact disks are often provided with slots to reduce eddy currents. The slots of both parts must be aligned with each other during assembly.
  • the contact disk and contact carrier of conventional contact elements are therefore manufactured in different work steps and from different materials in order to achieve the properties desired in each case.
  • this is in particular a high level of conductivity; in the case of the contact disk, an essential property is the resistance to erosion that occurs as a result of arcing events when switching.
  • the contact disk and contact carrier are connected to one another by means of a cohesive process, for example by brazing.
  • this production step breaks down into several individual steps and causes considerable effort and costs, since the quality of the connection between the contact disk and the contact carrier has a decisive influence on the switching performance of the vacuum interrupter. The assessment or In addition, quality control of the connection between contact disc and contact carrier is only possible with considerable effort.
  • DE 33 02 595 A1 discloses a contact carrier in which a coiled or body provided with helical recesses is cast from a first material of lower electrical conductivity with a second material of higher conductivity and lower melting and casting temperature, in particular the spaces between the screw turns or the recesses are cast.
  • the body made from the first material represents part of the casting mold for the second material.
  • On the contact carrier is then on a contact disk is soldered onto the contact-making end face, as already explained above.
  • DE 195 13 790 A1 discloses a contact element in which an arc electrode part, an arc electrode holding part, a coil electrode part and an electrode rod (current supply part) are designed in such a way that they form an integral structure. At this time, at least one of the connection portions between the arc electrode part and the arc electrode holding part 12, the coil electrode part 12 and the power supply part 12 is integrally manufactured according to hot isostatic pressing (HIP) processing.
  • HIP hot isostatic pressing
  • This object is achieved according to the invention by a production method in which a first powdery mixture comprising particles of the first conductive material and particles of the second conductive material or a first pre-pressed, disc-shaped green body consisting of a composite of at least the first and the second conductive material is placed in a press -Matri ze is introduced.
  • An inner ram is introduced into the die and a second powder of the first conductive material or a second powder-like mixture comprising particles of the first conductive material or a second pre-pressed green body comprising the first conductive material is introduced into a space between the die and the inner ram.
  • An outer ram is placed in the space between the die and the inner ram.
  • an electrical voltage is also applied to the press ram and the die.
  • the voltage feed-in points and the electrical power fed in are selected in such a way that the currents flowing through the powder or green body are approximately equally distributed.
  • the die and/or the press ram are provided with a release agent, in particular with a graphite coating or a boron nitride coating, before being brought into contact with one of the powders or green bodies.
  • the first powder is a mixture of copper particles and chromium particles, in particular in a ratio of CuCr25 or CuCrSO or CuCr35.
  • a plurality of oblique slots distributed over the circumference are introduced into the contact element or the area forming the contact body in such a way that a current flow can generate a magnetic field that Movement of an emerging arc on a predetermined path and / or causes a large-scale spread of the arc.
  • the present invention also relates to a contact element for a vacuum switch produced by or that can be produced by the aforementioned method, with a contact body consisting of a first conductive material or a composite material. material, which has a first conductive material, and a contact disk consisting of a composite material, in particular a particle composite material, which has at least one second conductive material in addition to the first conductive material.
  • the contact element is a uniform body with at least two areas with different material composition, the material composition of the two areas being based on the requirements explained above: the material of the area which is the contact carrier or. corresponds to the contact body of a conventional contact element is chosen to have high conductivity and the material of the area corresponding to the contact disc of a conventional contact element is chosen to resist the erosion caused by arcing events during switching is able .
  • the first conductive material is copper.
  • the second conductive material is chromium, in particular CuCr25 or CuCr30 or CuCr35 being used as the (particulate) composite material.
  • 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 being designed in accordance with the present invention.
  • One advantage of the present invention is that the production costs for a contact element according to the invention are reduced compared to the prior art. In particular, there is no need to solder the various parts used in the prior art for the contact body and contact disk, or to carry out the necessary pre- preparatory steps . Furthermore, the present invention ensures that the connection between the contact body and the contact disk is ideal at every point and is not caused by air inclusions, locally different soldering temperatures or mechanically or thermally caused enlarged soldering gaps or surface contamination, etc. Has flaws that negatively affect the magnetic field and can lead to an increase in the electrical resistance of the vacuum interrupter.
  • Fig. 1 shows an AMF contact according to an embodiment of the present invention in a schematic representation
  • Fig. 2 shows an RMF contact according to another embodiment of the present invention from a schematic representation
  • Fig. 3 shows a vacuum interrupter according to an embodiment of the present invention schematically in a partially sectional view
  • Fig. 4A-D illustrate an exemplary embodiment of the manufacturing method according to the invention.
  • Fig. 1 shows an AMF contact element 10 for a vacuum switch with a contact body 11 consisting of a first conductive material or a composite material which has a first conductive material.
  • the first conductive material is preferably copper.
  • a contact disk 12 or a contact disk portion is integrally formed on a surface of the contact body 11, more specifically on the surface of the contact body, which will later form the separable electrical connection of the vacuum switch.
  • Contact disk 12 consists of a composite material, in particular a particle composite material, which has at least one second conductive material in addition to the first conductive material.
  • the second conductive material is preferably chromium or another material that increases the resistance of the composite material to erosion.
  • the contact element 10 has a plurality of oblique slots 13 distributed over the circumference, which are introduced into the contact element in such a way that they (together with the geometry of the corresponding mating contact) the formation of an axial magnetic field and thus a large-area distribution of an emerging Cause arcing on the contact disk.
  • Fig. 2 shows an RMF contact element 20 for a vacuum switch with a contact body 21 again consisting of a first conductive material or a composite material, which has a first conductive material.
  • the first conductive material is preferably copper.
  • An annular contact disk 22 or. an annular contact disk area is in turn formed in one piece on a surface of the contact body 21 , more precisely on the surface of the contact body which is later to form the separable electrical connection of the vacuum switch.
  • the ring-shaped contact disk 22 consists of a composite material, in particular a particle composite material, which has at least one second conductive material in addition to the first conductive material.
  • the second conductive material is preferably chromium or another material Material that increases the resistance of the composite to charring.
  • the contact body 21 has a plurality of oblique slots 23 distributed over the circumference, which are introduced into the contact body in such a way that they (together with the geometry of the corresponding mating contact) reduce the thermal load on the contacts by rotation of the arc around the longitudinal axis of the arrangement on the contact discs.
  • Fig. 3 shows a vacuum interrupter 100 with two contacts 10, 20 according to the present invention.
  • two RMF contacts 20 according to FIG. 2 in detail, the different areas 21 , 22 of which are shown clearly differently for better differentiation.
  • AMF contacts shown in FIG. 1 or other forms of contact designed in accordance with the present invention are used.
  • the vacuum switch 100 has a fixed connecting disk or a fixed connection bolt zen 110 made of conductive material, preferably made of copper. This is connected to a fixed contact 10, 20 according to the present invention.
  • a moveable contact 10 , 20 according to the present invention is coplanar with the fixed contact and is carried by a moveable terminal stud 170 .
  • the vacuum switch is closed by an axial movement of the movable connection bolt 170 in the direction of the fixed connection bolt 110, and the vacuum switch is opened by a movement in the opposite direction.
  • the movable connecting bolt is guided in a guide 160 .
  • the two contacts 10 , 20 are arranged in a vacuum chamber 130 which is lined with a screen 140 and consists of a body 120 made of insulating material.
  • a metal bellows 150 is used to seal the vacuum chamber 130 to the environment in the area where the movable connecting bolt is carried out into the vacuum chamber.
  • Fig. 4 shows using the example of an AMF contact according to FIG. 1 shows a preferred exemplary embodiment of the manufacturing method according to the invention.
  • the preferred exemplary embodiment uses a field and pressure-assisted sintering process, particularly preferably the so-called spark plasma sintering process (SPS process).
  • SPS process spark plasma sintering process
  • a contact element 10 , 20 is produced by introducing a starting powder or a pre-pressed green body into a die and subjecting it to a uniaxially acting pressure via a press ram. At the same time, electric current flows through the sample to be sintered in a kind of series connection via the press ram and the ram of the matrix. 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.
  • the starting point is , Fig . 4A, a mixture 32 of particles of a first and a second material, preferably copper and chromium, more preferably according to one of the already mentioned mixtures of copper and chromium with a chromium content of 25% or 30% or 35%.
  • This is placed in the press die consisting of a sleeve 210 and a lower punch 240 .
  • a disk-shaped, pre-pressed green body can also be placed in the die. This areally distributed material 32 or the disk-shaped green body later forms the contact disk area 12 , 22 of the contact element 10 , 20 .
  • An inner ram 220 in the form of a cylinder is then introduced, which has a smaller outside diameter compared to the inside diameter of the sleeve 210 of the press die.
  • powder 31 of the first material preferably copper powder.
  • a hollow, cylindrical, pre-pressed green body or a pre-machined cylinder blank can also be inserted here. This powder 31 or the hollow cylindrical green body later forms the contact body region 11 , 21 of the contact element 10 , 20 .
  • an outer ram 230 in the form of a pipe section or Hollow cylinder introduced, which fits exactly into the gap or Clearance between the inner ram 220 and the sleeve 210 fits, and a pressing pressure A is applied.
  • a voltage is preferably applied to the pressing tools in order to bring about the targeted heating described above.
  • the shape of the outer ram 230 is preferably chosen so that when a pressure A is exerted, the powder 31 with a higher layer is first pressed before the pressure A possibly increases. is increased and also acts as pressure B on the inner ram, Fig. 4D, so that the pressing pressure and the electric current are distributed as evenly as possible over the entire surface of both press rams 220, 230.
  • Fig. 4D shows a special embodiment with a lower punch 240 that is movable relative to the sleeve 210 and pressing action A on the outer punch 230 , pressing action B on the inner punch 220 , and pressing action C on the lower punch 240 .
  • the pressing action A and B and C is brought about by a press, the pressures associated with FIG.
  • the shape of the inner and outer press ram described in FIG. 4B means that initially a press pressure A acts only on the outer press press ram 230 and only after a certain compaction of the powder 31 is a press pressure B also exerted on the inner press press ram 220 and the powder 32 is pressed, which is optionally supported by a movement C of the lower punch 240 relative to the sleeve 210 .
  • sintering takes place with at least di f fusion processes and usually also chemical reactions or Alloy formations in the interface area between the two materials.
  • the method described above produces a dense, monolithic contact having a contact disk area 12, 22 and a coil body area 11, 21 in-situ.
  • Metal surfaces that are in contact with one another and/or those surfaces of the individual parts 210, 220, 230, 240 of the press die that are in contact with the powder to be sintered or Green bodies are provided with a release agent, for example with a graphite coating or with a boron nitride coating. Such a release agent makes it easier to disassemble the press die and remove the composite body produced after the pressing process.
  • a contact element is available whose surfaces depend on the to be achieved Quality still have to be processed, for example by polishing, for example to achieve a contact surface that is as flat as possible and free of grooves. It is also usually necessary to slit either the coil body or the entire contact, as in connection with FIG. 1 and fig. 2 discussed .
  • the advantage here is that the slits in the contact disk areas 12 , 22 and the contact body areas 11 , 21 can be made in one work step and the laborious alignment of pre-slit individual elements, as is required in the prior art, can be omitted.
  • Another advantage is that the sintered contact element is very close to the final shape, d. H . there is very little waste material in the final processing.
  • the contact body from a composite material by adding a suitable powder mixture of copper and another material that exceeds the strength of copper in the sintered state instead of pure copper powder 31, 31A. This can also be done locally, i . H . for example in areas of the contact body 11 , 21 which are exposed to particular mechanical and/or electrical loads, such as the joints between the contact 10 , 20 and the connecting bolts 110 , 170 .
  • annular contact disk area in a first sintering process and to design this annular contact disk area into a full-surface contact disk in a second sintering process (not shown).
  • a different material composition can be selected for the annular contact disk area than for the inner contact disk area, for example the proportion of chromium in the inner contact disk area can be increased compared to the surrounding annular contact disk area. be increased, or other materials can be added.
  • a full-surface contact disk 12 can be produced whose conductivity and magnetic properties vary over the radius of the contact disk in order to advantageously influence the current distribution and/or heat dissipation in the contacted state and/or the arc conduction during the opening process.
  • material compositions that vary over the radius of the contact disk can be achieved by filling the press die with radially different powder compositions instead of a uniformly mixed powder 32 .
  • This configuration has the advantage that smooth transitions are formed between the individual areas and the electrical and/or magnetic properties thus change less abruptly than in the exemplary embodiment described above.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelements (10, 20) für einen Vakuumschalter (100). Dabei wird eine erste pulverartige Mischung (32) aufweisend Partikel des ersten leitfähigen Materials und Partikel des zweiten leitfähigen Materials oder ein erster vorgepresster, scheibenförmiger Grünkörper bestehend aus einem Verbund aus zumindest dem ersten und dem zweiten leitfähigen Material in eine Press-Matrize (210, 240) eingebracht. In die Matrize wird ein innerer Pressstempel (220) eingebracht und in einen Zwischenraum zwischen Matrize und innerem Pressstempel wird ein zweites Pulver (31, 31A) des ersten leitfähigen Materials oder eine zweite pulverartige Mischung aufweisend Partikel des ersten leitfähigen Materials oder ein zweiter vorgepresster Grünkörper aufweisend das erste leitfähige Material eingebracht. In den Zwischenraum zwischen Matrize und innerem Presstempel wird ein äußerer Pressstempel (230) eingebracht. Es wird Pressdruck (A, B) auf den äußeren und den inneren Presstempel ausgeübt, und zwar so, dass aus der ersten pulverartigen Mischung (32) oder dem ersten Grünkörper ein scheibenförmiger, eine Kontaktscheibe (12, 22) des Kontaktelements (10) bildender Bereich entsteht und aus dem zweiten Pulver (31, 31A) oder der zweiten pulverartigen Mischung oder dem zweiten Grünkörper ein einen Kontaktkörper (11, 21) bzw. Kontaktträger des Kontaktelements bildender Bereich entsteht.

Description

Beschreibung
Herstellungsverfahren für ein Kontaktelement für Vakuumschalter, Kontaktelement sowie Vakuumschalter
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein neuartiges Herstellungsverfahren für ein Kontaktelement für Vakuumschalter, ein gemäß des Verfahren erzeugtes oder erzeugbares Kontaktelement sowie einen Vakuumschalter mit einem derartigen Kontaktelement .
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 DE10201721 805A1 , 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 .
Dabei werden die Spulenkörper vorzugsweise aus Kupfer- Stangenmaterial oder aus vorgeformten Kupfer-Presslingen gefertigt . Die Magnetfelderzeugung durch den häufig als Hohl- Zylinder ausgeführten Spulenkörper wird durch eine entsprechende Schiit zgebung erreicht . Speziell bei AMF-Kontakten sind auch die Kontaktscheiben häufig mit Schlitzen versehen, um eine Reduzierung von Wirbelströmen zu erreichen . Die Schlitze beider Teile müssen bei der Montage zueinander ausgerichtet werden .
Kontaktscheibe und Kontaktträger herkömmlicher Kontaktelemente werden also in verschiedenen Arbeitsschritten und aus verschiedenen Materialien gefertigt , um die j eweils gewünschten Eigenschaften zu erreichen . Beim Kontaktträger ist dies insbesondere eine hohe Leitfähigkeit , bei der Kontaktscheibe ist eine wesentliche Eigenschaft die Widerstands fähigkeit gegenüber dem Abbrand, der durch Lichtbogenereignisse beim Schalten entsteht .
In einem anschließenden Fertigungsschritt werden Kontaktscheibe und Kontaktträger mittels eines stof f schlüssigen Prozesses miteinander verbunden, beispielsweise durch Hartlöten . Dieser Fertigungsschritt zerfällt in der Praxis in mehrere einzelne Schritte und verursacht einen erheblichen Aufwand und erhebliche Kosten, da die Qualität der Verbindung zwischen Kontaktscheibe und Kontaktträger die Schaltperformance der Vakuumschaltröhre maßgeblich beeinflusst . Die aus diesem Grund erforderliche Beurteilung bzw . Qualitätskontrolle der Verbindung zwischen Kontaktscheibe und Kontaktträger ist zudem nur mit erheblichem Aufwand möglich .
Aus der DE 33 02 595 Al ist ein Kontaktträger bekannt , bei dem ein in Schraubenlinienform gewundener bzw . mit schraubenlinienförmigen Ausnehmungen versehener Körper aus einem ersten Werkstof f geringerer elektrischer Leitfähigkeit mit einem zweiten Werkstof f höherer Leitfähigkeit und geringerer Schmel z- und Gießtemperatur ausgegossen ist , 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 Kontaktträger wird sodann an der kontaktgebenden Stirnseite , wie vorstehend bereits erläutert , eine Kontaktscheibe aufgelötet .
Aus der DE 195 13 790 Al ist ein Kontaktelement bekannt , bei dem ein Bogenelektrodenteil , ein Bogenelektrode-Halteteil , ein Spulenelektrodenteil und ein Elektrodenstab ( Stromzuführungsteil ) so ausgebildet sind, dass sie eine integrale Struktur bilden . Dabei wird mindestens einer der Verbindungsbereiche zwischen dem Bogenelektrodenteil und dem Bogenelektrode-Halteteil , dem Spulenelektrodenteil und dem Stromzuführteil integral gemäß einer heißisostatischen Pressverarbeitung (HIP ) hergestellt . Nachteilig an dem in der DE 195 13 790 Al beschriebenen Verfahren ist , dass es mehrere einzelne Schritte benötigt .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Herstellungsverfahren für ein Kontaktelement sowie ein Kontaktelement anzugeben, wodurch die beschriebenen Nachteile vermieden werden .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Herstellungsverfahren, bei dem eine erste pulverartige Mischung aufweisend Partikel des ersten leitfähigen Materials und Partikel des zweiten leitfähigen Materials oder ein erster vorgepresster, scheibenförmiger Grünkörper bestehend aus einem Verbund aus zumindest dem ersten und dem zweiten leitfähigen Material in eine Press-Matri ze eingebracht wird . In die Matri ze wird ein innerer Pressstempel eingebracht und in einen Zwischenraum zwischen Matri ze und innerem Pressstempel wird ein zweites Pulver des ersten leitfähigen Materials oder eine zweite pulverartige Mischung aufweisend Partikel des ersten leitfähigen Materials oder ein zweiter vorgepresster Grünkörper aufweisend das erste leitfähige Material eingebracht . In den Zwischenraum zwischen Matri ze und innerem Presstempel wird ein äußerer Pressstempel eingebracht . Es wird Pressdruck auf den äußeren und den inneren Presstempel ausgeübt , und zwar so , dass aus der ersten pulverartigen Mischung oder dem ersten Grünkörper ein scheibenförmiger, die Kontaktscheibe des Kontaktelements bildender Bereich entsteht und aus dem zweiten Pulver oder der zweiten pulverartigen Mischung oder dem zweiten Grünkörper ein den Kontaktkörper bzw . Kontaktträger des Kontaktelements bildender Bereich entsteht .
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich eine elektrische Spannung an die Pressstempel und die Matri ze angelegt .
In einer vorteilhaften Weiterbildung werden dabei die Spannungseinspeisepunkte sowie die j eweils eingespeisten elektrischen Leistungen so gewählt , dass die durch die Pulver oder Grünkörper fließenden Ströme annähernd gleichverteilt sind .
In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Matri ze und/oder die Pressstempel vor dem in Kontakt bringen mit einem der Pulver oder Grünkörper mit einem Trennmittel versehen, insbesondere mit einer Graphitbeschichtung oder einer Bornitridbeschichtung .
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das erste Pulver eine Mischung aus Kupferpartikeln und Chrompartikeln, insbesondere im Verhältnis CuCr25 oder CuCrS O oder CuCr35 .
In einer vorteilhaften Weiterbildung werden nach Verpressung und Sinterung der Pulver und/oder Grünkörper eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen in das Kontaktelement oder den den Kontaktkörper bildenden Bereich so eingebracht , dass bei einem Stromfluss ein Magnetfeld erzeugt werden kann, das eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine groß flächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirkt .
Die vorliegende Erfindung betri f ft ferner ein Kontaktelement für einen Vakuumschalter erzeugt durch oder erzeugbar durch das vorgenannte Verfahren, mit einem Kontaktkörper bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder einem Verbundwerk- stof f , welcher ein erstes leitfähiges Material aufweist , und einer Kontaktscheibe bestehend aus einem Verbundwerkstof f , insbesondere einem Teilchenverbundwerkstof f , welcher neben dem ersten leitfähigen Material mindestens ein zweites leitfähiges Material aufweist .
Dabei ist das Kontaktelement ein einheitlicher Körper mit mindestens zwei Bereichen mit verschiedener Material zusammensetzung, wobei sich die Material zusammensetzung der beiden Bereiche an den vorstehend erläuterten Anforderungen orientiert : das Material des Bereiches , welcher dem Kontaktträger bzw . dem Kontaktkörper eines herkömmlichen Kontaktelements entspricht , wird so gewählt , dass es eine hohe Leitfähigkeit hat , und das Material des Bereiches , welcher der Kontaktscheibe eines herkömmlichen Kontaktelements entspricht , wird so gewählt , dass es gegenüber dem Abbrand, der durch Lichtbogenereignisse beim Schalten entsteht , widerstands fähig ist .
In vorteilhaften Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ist dabei das erste leitfähige Material Kupfer .
In vorteilhaften Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ist dabei das zweite leitfähige Material Chrom, wobei als ( Teilchen- ) Verbundwerkstof f insbesondere CuCr25 oder CuCr30 oder CuCr35 verwendet wird .
Die vorliegende Erfindung betri f ft ferner einen Vakuumschalter mit einer Vakuumkammer, innerhalb derer zwei Kontaktelemente angeordnet sind, wobei mindestens eines der Kontaktelemente entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist .
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Fertigungsaufwand für ein erfindungsgemäßes Kontaktelement gegenüber dem Stand der Technik verringert wird . Insbesondere entfällt die Verlötung der im Stand der Technik verwendeten verschiedenen Teile für Kontaktkörper und Kontaktscheibe sowie die in diesem Zusammenhang erforderlichen vor- bereitenden Schritte . Ferner wird durch die vorliegende Erfindung erreicht , dass die Verbindung zwischen Kontaktkörper und Kontaktscheibe an j eder Stelle ideal ist und nicht durch Lufteinschlüsse , lokal unterschiedliche Lottemperaturen oder mechanisch oder thermisch bedingte vergrößerte Lötspalte oder Oberflächenverunreinigungen usw . Fehlerstellen aufweist , die das Magnetfeld negativ beeinflussen und zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes der Vakuumschaltröhre führen können .
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 . 1 zeigt einen AMF-Kontakt gemäß eines Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung;
Fig . 2 . zeigt einen RMF-Kontakt gemäß eines weiteren Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung;
Fig . 3 zeigt einen Vakuumschalter gemäß eines Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in partieller Schnittdarstellung;
Fig . 4A-D illustrieren ein Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens .
Fig . 1 zeigt ein AMF-Kontaktelement 10 für einen Vakuumschalter mit einem Kontaktkörper 11 bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder einem Verbundwerkstof f , welcher ein erstes leitfähiges Material aufweist . Das erste leitfähige Material ist dabei vorzugsweise Kupfer .
Eine Kontaktscheibe 12 bzw . ein Kontaktscheibenbereich ist einstückig an einer Oberfläche des Kontaktkörpers 11 ausgebildet , genauer gesagt an der Oberfläche des Kontaktkörpers , die später die trennbare elektrische Verbindung des Vakuumschalters bilden soll .
Kontaktscheibe 12 besteht aus einem Verbundwerkstof f , insbesondere einem Teilchenverbundwerkstof f , welcher neben dem ersten leitfähigen Material mindestens ein zweites leitfähiges Material aufweist . Das zweite leitfähige Material ist dabei vorzugsweise Chrom oder ein anderes Material , das die Widerstands fähigkeit Verbundwerkstof fes gegenüber Abbrand erhöht .
Das Kontaktelement 10 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen 13 auf , die so in das Kontaktelement eingebracht sind, dass sie ( gemeinsam mit der Geometrie des entsprechenden Gegenkontakts ) die Ausbildung eines axialen Magnetfeldes und somit eine groß flächige Verteilung eines entstehenden Lichtbogens auf der Kontaktscheibe bewirken .
Fig . 2 zeigt ein RMF-Kontaktelement 20 für einen Vakuumschalter mit einem Kontaktkörper 21 wiederum bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder einem Verbundwerkstof f , welcher ein erstes leitfähiges Material aufweist . Das erste leitfähige Material ist dabei auch hier vorzugsweise Kupfer .
Eine ringförmige Kontaktscheibe 22 bzw . ein ringförmiger Kontaktscheibenbereich ist wiederum einstückig an einer Oberfläche des Kontaktkörpers 21 ausgebildet , genauer gesagt an der Oberfläche des Kontaktkörpers , die später die trennbare elektrische Verbindung des Vakuumschalters bilden soll .
Die ringförmige Kontaktscheibe 22 besteht aus einem Verbundwerkstof f , insbesondere einem Teilchenverbundwerkstof f , welcher neben dem ersten leitfähigen Material mindestens ein zweites leitfähiges Material aufweist . Das zweite leitfähige Material ist auch hier vorzugsweise Chrom oder ein anderes Material , das die Widerstands fähigkeit des Verbundwerkstof fes gegenüber Abbrand erhöht .
Der Kontaktkörper 21 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen 23 auf , die so in den Kontaktkörper eingebracht sind, dass sie ( gemeinsam mit der Geometrie des entsprechenden Gegenkontakts ) die thermische Belastung der Kontakte durch eine Rotation des Lichtbogens um die Längsachse der Anordnung auf den Kontaktscheiben verteilen .
Fig . 3 zeigt eine Vakuumschaltröhre 100 mit zwei Kontakten 10 , 20 gemäß der vorliegenden Erfindung . Dabei wurden rein beispielhaft zwei RMF-Kontakte 20 gemäß Fig . 2 detailliert dargestellt , deren verschiedene Bereiche 21 , 22 zur besseren Unterscheidbarkeit deutlich verschieden dargestellt sind . In anderen Aus führungsbeispielen werden AMF-Kontakte gemäß Fig . 1 oder andere Kontakt formen, 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 einem feststehenden Kontakt 10 , 20 gemäß der vorliegenden Erfindung . Ein beweglicher Kontakt 10 , 20 gemäß der vorliegenden Erfindung 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 10 , 20 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 .
Fig . 4 zeigt anhand des Beispiels eines AMF-Kontakts gemäß Fig . 1 ein bevorzugtes Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens . Das bevorzugte Aus führungsbeispiel nutzt dabei ein feld- und druckunterstütztes Sinterverfahren, besonders bevorzugt das sogenannte Spark-Plasma- Sinterverfahren ( SPS-Verf ahren) .
Allgemein ausgedrückt wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kontaktelement 10 , 20 hergestellt , indem ein Ausgangspulver oder ein vorgepresster Grünkörper in eine Matri ze eingebracht und über Pressstempel mit einem uniaxial wirkenden Druck beaufschlagt wird . Gleichzeitig wird über die Pressstempel und die Stempel der 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 .
Den Ausgangspunkt bildet , Fig . 4A, eine Mischung 32 aus Partikeln eines ersten und eines zweiten Materials , vorzugsweise Kupfer und Chrom, weiter vorzugsweise gemäß einer der bereits erwähnten Mischungen von Kupfer und Chrom mit einem Chromanteil von 25% oder 30% oder 35% . Diese wird in die Press- Matri ze bestehend aus einer Hülse 210 und einem unteren Stempel 240 gegeben . Anstelle des Pulvers kann auch ein scheibenförmiger vorgepresster Grünkörper in die Matri ze eingelegt werden . Dieses flächig verteilte Material 32 bzw . der scheibenförmige Grünkörper bilden später den Kontaktscheibenbereich 12 , 22 des Kontakteelements 10 , 20 .
Anschließend wird ein innerer Pressstempel 220 in Form eines Zylinders eingeführt , der einen geringeren Außendurchmesser im Vergleich zum Innendurchmesser der Hülse 210 der Press- Matri ze aufweist . In den entstehenden Spalt bzw . Freiraum zwischen dem inneren Pressstempel 220 und der Hülse 210 der Matri ze wird nun Pulver 31 des ersten Materials , vorzugsweise also Kupferpulver, eingefüllt . Alternativ dazu kann auch hier ein hohl zylinderförmiger vorgepresster Grünkörper oder ein vorbearbeiteter Zylinderrohling eingelegt werden . Dieses Pulver 31 bzw . der hohl zylinderförmige Grünkörper bilden später den Kontaktkörperbereich 11 , 21 des Kontaktelements 10 , 20 .
Anschließend wird, Fig . 4B, ein äußerer Pressstempel 230 in Form eines Rohrabschnitts bzw . Hohl zylinders eingeführt , der genau in den Spalt bzw . Freiraum zwischen dem inneren Pressstempel 220 und der Hülse 210 passt , und ein Pressdruck A ausgeübt . Vorzugsweise wird gleichzeitig eine Spannung an die Presswerkzeuge angelegt , um die weiter oben beschriebene gezielte Erwärmung zu bewirken .
Die Form des äußeren Pressstempels 230 ist dabei vorzugsweise so gewählt , dass bei Ausübung eines Pressdrucks A zunächst das höher geschichtete Pulver 31 gepresst wird, bevor der Pressdruck A ggf . erhöht wird und auch als Pressdruck B auf den inneren Presstempel wirkt , Fig . 4D, so dass der Pressdruck und der elektrische Strom möglichst gleichverteilt über der gesamten Fläche beider Presstempel 220 , 230 anliegen .
In Ausgestaltungen der Erfindung kann die Pressung bzw . Sinterung in zwei Schritten erfolgen, indem anschließend an einen ersten, in Fig . 4B gezeigten Pressschritt der äußere Pressstempel 230 entfernt , in den Spalt bzw . Freiraum zwischen dem inneren Pressstempel 220 und der Hülse 210 weiteres Pulver 31A eingefüllt und der äußere Pressstempel 230 erneut in den Spalt bzw . Freiraum zwischen dem inneren Pressstempel 220 und der Hülse 210 eingeführt und die zweite , finale Pressung durchgeführt wird, Fig . 4G und Fig . 4D .
Fig . 4D zeigt dabei ein besonderes Aus führungsbeispiel mit einem gegenüber der Hülse 210 beweglichen unteren Stempel 240 und Presswirkung A auf den äußeren Stempel 230 , Presswirkung B auf den inneren Stempel 220 und Presswirkung C auf den unteren Stempel 240 . Die Presswirkung A und B und C wird dabei von einer Presse bewirkt , wobei die im Zusammenhang mit Fig . 4B beschriebene Form des inneren und des äußerem Pressstempels bewirken, dass zunächst nur auf den äußeren Pressstempel 230 ein Pressdruck A wirkt und erst nach einer bestimmten Verdichtung des Pulvers 31 auch ein Pressdruck B auf den inneren Presstempel 220 ausgeübt und das Pulver 32 verpresst wird, was optional durch eine Bewegung C des unteren Stempels 240 gegenüber der Hülse 210 unterstützt wird . Durch das die Ausübung des Pressdrucks bzw . der Pressdrücke und optional das Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgt ein Sintern mit zumindest Di f fusionsprozessen und in der Regel auch chemischen Reaktionen bzw . Legierungsbildungen im Inter- facebereich zwischen den beiden Materialien .
Durch das vorstehend beschriebene Verfahren wird ein dichter, monolithischer Kontakt aufweisend einen Kontaktscheibenbereich 12 , 22 und einen Spulenkörperbereich 11 , 21 in-situ erzeugt .
Vorzugsweise werden in Kontakt miteinander stehende Metallflächen und/oder diej enigen Flächen der Einzelteile 210 , 220 , 230 , 240 der Press-Matri ze , die in Kontakt mit dem zu sinternden Pulver bzw . Grünkörper stehen, mit einem Trennmittel versehen, beispielsweise mit einer Graphitbeschichtung oder mit einer Bornitridbeschichtung . Ein solches Trennmittel erleichtert ein Zerlegen der Press-Matri ze und eine Entnahme des erzeugten Verbundkörpers nach dem Pressvorgang .
Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist es möglich, voll flächige Kontaktscheiben 10 wie in Fig . 1 gezeigt und ringförmige Kontaktscheiben 20 wie in Fig . 2 gezeigt herzustellen .
Am Ende des SPS-Verf ährens steht ein Kontaktelement zur Verfügung, dessen Oberflächen abhängig von der zu erzielenden Qualität noch bearbeitet werden müssen, beispielsweise durch Polieren, beispielsweise um eine möglichst plane , rillenfreie Kontakt fläche zu erzielen . Ebenso ist es in der Regel erforderlich, entweder den Spulenkörper oder den gesamten Kontakt noch zu schlitzen, wie im Zusammenhang mit Fig . 1 und Fig . 2 erörtert .
Von Vorteil ist dabei , dass die Schlitze in den Kontaktscheibenbereichen 12 , 22 und den Kontaktkörperbereichen 11 , 21 in einem Arbeitsschritt eingebracht werden können und das mühevolle Ausrichten vorgeschlitzter einzelner Elemente , wie dies im Stand der Technik erforderlich ist , entfallen kann .
Von Vorteil ist weiterhin, dass das gesinterte Kontaktelement sehr endkonturnah ist , d . h . bei der finalen Bearbeitung fällt nur wenig Abfallmaterial an .
In vorteilhaften Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, auch den Kontaktkörper aus einem Verbundmaterial zu fertigen, indem anstelle von reinem Kupferpulver 31 , 31A ein geeignetes , im gesinterten Zustand die Festigkeit von Kupfer übersteigendes Pulvergemisch aus Kupfer und einem weiteren Material zugegeben wird . Dies kann auch lokal beschränkt erfolgen, d . h . beispielsweise in Bereichen des Kontaktkörpers 11 , 21 , die besonderen mechanischen und/oder elektrischen Belastungen ausgesetzt sind wie etwa die Fügestellen zwischen Kontakt 10 , 20 und Anschlussbol zen 110 , 170 .
In Aus führungsbeispielen der Erfindung ist es möglich, in einem ersten Sintervorgang zunächst einen ringförmigen Kontaktscheibenbereich zu erstellen und in einem zweiten Sintervorgang diesen ringförmigen Kontaktscheibenbereich zu einer voll flächigen Kontaktscheibe zu gestalten (nicht dargestellt ) . Dabei kann für den ringförmigen Kontaktscheibenbereich eine andere Material zusammensetzung gewählt werden als für den inneren Kontaktscheibenbereich, beispielsweise kann der Anteil von Chrom im inneren Kontaktscheibenbereich gegenüber dem umgebenden ringförmigen Kontaktscheibenbereich er- höht werden, oder es können andere Materialien zugesetzt werden . So kann eine voll flächige Kontaktscheibe 12 hergestellt werden, deren Leitfähigkeit und magnetischen Eigenschaften über den Radius der Kontaktscheibe variieren, um so die Stromverteilung und/oder Wärmeableitung im kontaktierten Zustand und/oder die Lichtbogenleitung während des Öf fnungsvorgangs vorteilhaft zu beeinflussen .
In wieder anderen Aus führungsbeispielen können über den Radius der Kontaktscheibe variierende Material zusammensetzungen erreicht werden, indem anstelle eines einheitlich gemischten Pulvers 32 radial verschiedene Pulverzusammenset zungen in die Pressmatri ze eingefüllt werden . Diese Ausgestaltung hat dabei den Vorteil , dass fließende Übergänge zwischen den einzelnen Bereichen gebildet und sich somit die elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften weniger abrupt ändern als beim vorstehend beschriebenen Aus führungsbeispiel .
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 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. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelements (10, 20) für einen Vakuumschalter (100) , mit folgenden Schritten:
- Einbringen einer ersten pulverartigen Mischung (32) aufweisend Partikel eines ersten leitfähigen Materials und Partikel eines zweiten leitfähigen Materials oder eines ersten vorgepressten, scheibenförmigen Grünkörpers bestehend aus einem Verbund aus zumindest einem ersten und einem zweiten leitfähigen Material in eine Press-Matrize (210, 240) ;
- Einbringen eines inneren Pressstempels (220) in die Matrize (210) ;
- Einfüllen eines zweiten Pulvers (31, 31A) des ersten leitfähigen Materials oder einer zweiten pulverartigen Mischung aufweisend Partikel des ersten leitfähigen Materials oder eines zweiten vorgepressten Grünkörpers aufweisend das erste leitfähige Material in einen Zwischenraum zwischen Matrize (210) und innerem Pressstempel (220) ;
- Einbringen eines äußeren Pressstempels (230) in den Zwischenraum zwischen Matrize (210) und innerem Presstempel (220) ; und
- Ausüben von Pressdruck (A, B) auf den äußeren Presstempel und auf den inneren Presstempel so, dass aus der ersten pulverartigen Mischung (32) oder dem ersten Grünkörper ein scheibenförmiger, eine Kontaktscheibe (12, 22) des Kontaktelements (10) bildender Bereich entsteht und aus dem zweiten Pulver (31, 31A) oder der zweiten pulverartigen Mischung oder dem zweiten Grünkörper ein einen Kontaktkörper (11, 21) des Kontaktelements bildender Bereich entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zusätzlich eine elektrische Spannung an die Pressstempel (220, 230) und die Matrize (210, 240) angelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem Spannungseinspeisepunkte sowie die jeweils eingespeisten elektrischen Leistungen so gewählt werden, dass die durch die Pulver (31, 32) oder Grün- körper fließenden elektrischen Ströme annähernd gleichverteilt sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Matrize und/oder die Pressstempel vor dem in Kontakt bringen mit einem der Pulver oder Grünkörper mit einem Trennmittel versehen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Pulver (32) eine Mischung aus Kupferpartikeln und Chrompartikeln ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach Verpressung und Sinterung der Pulver (31, 32) und/oder Grünkörper eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen (13, 23) in das Kontaktelement (10, 20) oder den dessen Kontaktkörper (11, 21) bildenden Bereich so eingebracht werden, dass bei einem Stromfluss ein Magnetfeld erzeugt werden kann, das eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine großflächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirkt.
7. Kontaktelement (10, 20) für einen Vakuumschalter (100) erzeugt durch oder erzeugbar durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Kontaktkörper (11, 21) bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder einem Verbundwerkstoff, welcher ein erstes leitfähiges Material aufweist, und einer Kontaktscheibe (12, 22) bestehend aus einem Verbundwerkstoff, welcher neben dem ersten leitfähigen Material mindestens ein zweites leitfähiges Material aufweist .
8. Kontaktelement nach Anspruch 7, bei dem das erste leitfähige Material Kupfer ist.
9. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem das zweite leitfähige Material Chrom ist. 16
10. Kontaktelement nach Anspruch 9, bei dem der Verbundwerkstoff CuCr25 oder CuCr30 oder CuCr35 ist.
11. Vakuumschalter (100) mit einer Vakuumkammer (130) , inner- halb derer zwei Kontaktelemente (10, 20) angeordnet sind, wobei mindestens eines der Kontaktelemente (10, 20) ein Kontaktelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10 ist.
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