Kontaktträger für Vakuumschalter, Vakuumschalter sowie Herstellungsverfahren für einen Kontaktträger

Die vorliegende Erfindung betri f ft einen neuartigen Kontaktträger für Vakuumschalter, einen Vakuumschalter mit einem derartigen Kontaktträger sowie ein Herstellungsverfahren für einen Kontaktträger .

In Vakuumschaltern bzw . Vakuumschaltröhren für den Nieder- , Mittel- und Hochspannungsbereich werden insbesondere zum Ausschalten von Strömen größer einiger Kiloampere sogenannte Radial- oder Axialmagnetfeld-Kontakte (RMF- bzw . AMF- Kontakte ) eingesetzt . Aufbau, Funktion und Wirkprinzipien solcher Kontaktelemente in herkömmlicher Bauweise sind beispielsweise in der im Jahr 2003 veröf fentlichten Dissertationsschri ft "Modellierung des Plasmas im Vakuum- Leistungsschalter unter Berücksichtigung axialer Magnetfelder" von K . Jenkes-Botterweck, online verfügbar unter htt : / /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 .

Fig . 1 zeigt einen herkömmlichen AMF Kontakt 10 in schematischer Darstellung . Ein Kontaktträger bzw . Spulenkörper 11 trägt eine Kontaktscheibe 12 . Kontaktträger und Kontaktschei- be weisen eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen 13 auf , die so in das Kontaktele- ment 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 einen herkömmlichen RMF-Kontakt 20 in schematischer Darstellung . Ein Kontaktträger bzw . Spulenkörper 21 trägt eine ringförmige Kontaktscheibe 22 . Der Kontaktträger 21 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen 23 auf , die so in den Kontaktkörper eingebracht sind, dass sie ( gemeinsam mit der Geometrie des entsprechenden Gegenkontakts ) die thermische Belastung der Kontakte durch eine Rotation des bei Schaltvorgängen entstehenden Lichtbogens um die Längsachse der Anordnung auf den Kontaktscheiben verteilen .

Dabei werden die Spulenkörper vorzugsweise aus Kupfer- Stangenmaterial oder aus vorgeformten Kupfer-Presslingen gefertigt . Die Stromflusssteuerung und damit die Magnetfelderzeugung durch den häufig als Hohl zylinder ausgeführten Spulenkörper wird durch die bereits erwähnten Schlitze erreicht .

Nachteilig daran ist , dass die Schlitzung des Kontaktträgers bzw . Spulenkörpers dessen mechanische Stabilität erheblich beeinträchtigt und in vielen Fällen einen Stützkörper erforderlich macht . Zudem hinterlassen die spanenden Arbeitsverfahren, die zum Einbringen der Schlitze angewendet werden, scharfe Kanten und Grate , die in zusätzlichen Arbeitsschritten abgerundet bzw . entfernt werden müssen, um Verletzungen bei der Handhabung der Spulenkörper sowie der fertigen Kontaktelemente zu verhindern . Scharfe Kanten und Grate können zu ferner zu lokalen Überhöhungen der elektrischen Feldstärke führen und so die dielektrische Festigkeit der Vakuumschaltröhre negativ beeinflussen . Weiterhin kann sich Grat unter dem Einfluss des elektrischen Feldes und/oder durch mechanische Erschütterung bei den Schaltvorgängen ablösen und einen elektrischen Durchschlag in der Vakuumschaltröhre einleiten . Aus der DE 33 02 595 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 . Nachteilig daran ist , dass der Schmel zpunkt des ersten Werkstof fes deutlich über dem Schmel zpunkt des zweiten Werkstof fes liegen muss und dass die Fertigung eines solchen Kontaktträgers aufgrund mehrerer sequentieller Arbeitsschritte viel Zeit beansprucht .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kontaktträger für Vakuumschalter sowie ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Kontaktträger anzugeben, wodurch die beschriebenen Nachteile vermieden werden .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kontaktträger eines Kontaktelements für einen Vakuumschalter, der überwiegend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstof f besteht und eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Einlassungen eines zweiten Materials mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstof f geringerer Leitfähigkeit aufweist , welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn bewirken .

Mit anderen Worten ist gemäß der vorliegenden Erfindung in die aus dem Stand der Technik bekannten schlitz förmigen Öf fnungen ein Material eingelassen, das gegenüber dem Material des Kontaktträgers eine geringere Leitfähigkeit aufweist , wobei die Form der Einlassungen nicht auf Schlitze beschränkt ist , sondern eine deutlich größere Formenviel falt erlaubt , wodurch wiederum Optimierungen der Magnetfeldbildung ermöglicht werden, die mit den klassischen schneidenden bzw . spanenden Verfahren nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar sind .

Mit "Einlassung" ist dabei gemeint , dass das Einbringen des zweiten Materials in das erste Material bereits während der Aus formung der Kontaktträgergrundform erfolgt und nicht nachträglich, also beispielsweise nicht , indem in einen Kontaktträger Schlitze eingebracht werden, die anschließend mit dem zweiten Material verfällt werden .

In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist das erste leitfähige Material , also das Material des Kontaktträgergrundkörpers , Kupfer .

Für das in die Schlitze eingelassene Material wird bevorzugt Edelstahl oder ein anderes Metall mit deutlich geringerer Leitfähigkeit als Kupfer verwendet . In alternativen Ausgestaltungen werden Keramiken oder Keramik-Metall- Verbundwerkstof fe ( Cermets ) als zweites Material genutzt .

Ein erfindungsgemäßer Kontaktträger kann beispielsweise durch additive Herstellungsverfahren ( 3D-Druck) hergestellt werden, insbesondere durch ein 2-Komponenten-3D-Druck-Verf ahren . Der Vorteil des 3D-Drucks besteht darin, dass der Kontaktträger einschließlich der Einlassungen in einem Arbeitsgang gefertigt werden kann und auch komplexe Schlitz formen realisiert werden können, die mit herkömmlichen spanenden Arbeitsverfahren nicht oder nur mit großem Aufwand realisiert werden können .

Die vorliegende Erfindung betri f ft ferner einen Vakuumschalter mit einer Vakuumkammer, innerhalb derer zwei Kontaktelemente angeordnet sind, wobei mindestens eines der Kontaktelemente einen erfindungsgemäßen Kontaktträger aufweist . Die vorliegende Erfindung betri f ft außerdem ein zum 3D-Druck alternatives Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kontaktträgers , der überwiegend aus einem ersten Material oder Verbundwerkstof f besteht . Dabei werden ein oder mehrere Formteile aus einem zweiten Material mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstof f geringerer Leitfähigkeit in ein Pulverbett oder eine Press-Matri ze eingebracht . Anschließend werden die die Form des Kontaktträgers hauptsächlich bestimmenden Formteile in die Press-Matri ze eingebracht und in die verbleibenden Freiräume wird ein Pulver oder auch aus Pulver vorgepresste Grünteile des ersten Materials eingebracht . Anschließend wird ein Pressdruck so ausgeübt , dass aus dem Pulver der Kontaktträger mit den eingebetteten bzw . eingelassenen Formteilen entsteht .

Dabei kann das Pulver während des Pressvorgangs zusätzlich mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden .

Die Spannungseinspeisepunkte sowie die j eweils eingespeisten elektrischen Leistungen werden dabei bevorzugt so gewählt , dass die durch das Pulver fließenden Ströme annähernd gleichverteilt sind .

Vorzugsweise wird als Pulver ein Kupferpulver verwendet . Als zweites Material wird bevorzugt Edelstahl gewählt .

Das oder die Formteile sind vorzugsweise so gestaltet , dass sie nach Verpressung und Sinterung des Pulvers über den Umfang verteilte Einlassungen im Kontaktträger bilden, welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn bewirken .

Im folgenden werden Aus führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert . Es sei darauf hingewiesen, dass sämtliche vorstehend und nachfolgend of fenbarten Varianten, Ausgestaltungen und Aus führungsbeispiele uneingeschränkt miteinander kombinierbar sind . Fig . 3 zeigt den Kontaktträger eines AMF Kontakts gemäß eines Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in perspektivischer Darstellung;

Fig . 4 zeigt den Kontaktträger eines RMF Kontakts gemäß eines Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in perspektivischer Darstellung; und

Fig . 5 zeigt einen Vakuumschalter gemäß eines Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in partieller Schnittdarstellung .

Fig . 3 zeigt einen Spulenkörper bzw . Kontaktträger 31 eines AMF-Kontaktelements für einen Vakuumschalter 100 bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstof f . Das erste leitfähige Material ist dabei vorzugsweise Kupfer . Auf die Darstellung der Kontaktscheibe wurde im Sinne einer klareren Darstellung der vorliegenden Erfindung verzichtet .

Es sei j edoch darauf hingewiesen, dass die Kontaktscheibe bzw . ein Kontaktscheibenbereich an der Oberfläche des Kontaktträgers 31 angebracht oder in Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung einstückig mit dem Kontaktträger ausgebildet sein kann, und zwar an der Oberfläche des Kontaktelements , die später die trennbare elektrische Verbindung des Vakuumschalters bilden soll .

Der Spulenkörper 31 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden, im Beispiel der Fig . 3 im Wesentlichen schlitz förmigen Einlassungen 33 auf , in die ein zweites Material mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit gegenüber dem ersten Material eingelassen ist , und zwar so , dass die Einlassungen ( gemeinsam mit der Geometrie der Einlassungen oder Schlitze der eigentlichen, in Fig . 3 nicht dargestellten Kontaktscheibe sowie des entsprechenden Gegenkontakts ) die Ausbildung eines axialen Magnetfeldes und somit eine groß flächige Verteilung eines entstehenden Lichtbogens auf der Kontaktscheibe bewirken . Fig . 4 zeigt einen Spulenkörper bzw . Kontaktträger 41 eines RMF-Kontaktelements für einen Vakuumschalter 100 bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstof f . Das erste leitfähige Material ist dabei wiederum vorzugsweise Kupfer . Auch in Fig . 4 wurde auf die Darstellung der Kontaktscheibe im Sinne einer klareren Darstellung der vorliegenden Erfindung verzichtet .

Es sei j edoch darauf hingewiesen, dass eine ringförmige Kontaktscheibe bzw . ein ringförmiger Kontaktscheibenbereich an der Oberfläche des Kontaktträgers 41 angebracht oder in Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung einstückig mit dem Kontaktträger ausgebildet sein kann, und zwar an der Oberfläche des Kontaktelements , die später die trennbare elektrische Verbindung des Vakuumschalters bilden soll .

Der Spulenkörper 41 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden, im Beispiel der Fig . 4 im Wesentlichen schlitz förmigen Einlassungen 43 auf , in die ein zweites Material mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit gegenüber dem ersten Material eingelassen ist , und zwar so , dass die Einlassungen ( gemeinsam mit der Geometrie der Einlassungen oder Schlitze des entsprechenden Gegenkontakts ) die thermische Belastung der Kontakte durch eine Rotation des Lichtbogens um die Längsachse der Anordnung auf den Kontaktscheiben verteilen .

Fig . 5 zeigt eine Vakuumschaltröhre 100 mit zwei Kontakten mit Kontaktträgern 31 , 41 gemäß der vorliegenden Erfindung . Dabei wurde rein beispielhaft ein RMF-Kontaktsystem mit Spulenkörpern gemäß Fig . 4 detailliert dargestellt . In anderen Aus führungsbeispielen werden AMF-Kontakte gemäß Fig . 3 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 dem Spulenkörper 31 , 41 eines feststehenden Kontakts . Ein beweglicher Kontakt ist planparallel zum feststehenden Kontakt ausgerichtet und wird von einem beweglichen Anschlussbol zen 170 getragen . Durch axiale Bewegung des beweglichen Anschlussbol zens 170 in Richtung des feststehenden Anschlussbol zens 110 wird der Vakuumschalter geschlossen, durch eine Bewegung in umgekehrter Richtung wird der Vakuumschalter geöf fnet . Der bewegliche Anschlussbol zen wird dabei in einer Führung 160 geführt .

Dabei sind die beiden Kontakte in einer Vakuumkammer 130 angeordnet , die mit einem Schirm 140 ausgekleidet ist und aus einem Körper 120 aus isolierendem Material besteht . Ein Metall faltenbalg 150 dient gemeinsam mit der Führung 160 der Abdichtung der Vakuumkammer 130 gegenüber der Umgebung im Bereich der Durchführung des beweglichen Anschlussbol zens in die Vakuumkammer .

Im folgenden wird ein bevorzugtes Herstellungsverfahren zur Herstellung der Kontaktträger bzw . Spulenkörper 31 , 41 beschrieben .

Ein oder mehrere Formteile , vorzugsweise aus Edelstahl , die später die Einlassungen im kupfernen Spulenkörper bilden, werden in eine Matri ze eingebracht . Die Lage der Formteile wird dabei durch geeignete Mittel festgelegt . Beispielsweise kann ein Formteil verwendet werden, bei dem die mehreren, im Beispiel der Fig . 3 und Fig . 4 plattenförmig dargestellten Einlassungen durch schmale , die spätere Funktion nicht beeinträchtigende Stege miteinander verbunden sind und so ein ringförmiges Formteil bilden, das gegenüber der folgenden Einfüllung von Pulver seine Form bewahrt .

Alternativ können mehrere Formteile , die ihrer endgültigen Form weitgehend entsprechen, aber etwas über den späteren Umfang des Kontaktelements herausragen, in entsprechenden Aufnahmen der Matri ze eingesetzt werden . Das über dem Umfang hinausragende Material der Formteile kann dann im Zuge der finalen Oberflächenbearbeitung des Kontaktelements mit entfernt werden .

In die Zwischenräume der Matri ze und die Formteile umgebend wird Kupferpulver eingefüllt und über Pressstempel mit einem uniaxial wirkenden Druck beaufschlagt . Vorzugsweise wird gleichzeitig über die Pressstempel und die Matri ze die zu sinternde Probe von elektrischem Strom in einer Art Reihenschaltung durchflossen . Die so erzeugte Joulesche Erwärmung der Probe bzw . der Matri ze führt zu einer sehr schnellen Aufhei zung der Probe und ermöglicht so das ef fi ziente Sintern des Werkstof fs .

Die Matri ze kann einen inneren, zylindrischen Körper aufweisen, um den herum der Spulenkörper 31 , 41 zumindest teilweise geformt wird .

In Aus führungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das komplette Kontaktelement einschließlich der Kontaktscheibe mittels des Sinterverfahrens hergestellt werden, indem eine erste pulverartige Mischung aufweisend Partikel eines ersten leitfähigen Materials und Partikel des zweiten leitfähigen Materials oder ein erster vorgepresster, scheibenförmiger Grünkörper bestehend aus einem Verbund aus zumindest dem ersten und dem zweiten leitfähigen Material in eine Press- Matri ze eingebracht wird . In die Matri ze wird ein innerer Pressstempel eingebracht und in einen Zwischenraum zwischen Matri ze und innerem Pressstempel werden die Formteile (wie bereits beschrieben) eingelegt und es wird ein zweites Pulver des ersten leitfähigen Materials oder eine zweite pulverartige Mischung aufweisend Partikel des ersten leitfähigen Materials oder ein zweiter vorgepresster Grünkörper aufweisend das erste leitfähige Material eingebracht . In den Zwischenraum zwischen 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 Kon- taktelements bildender Bereich entsteht und aus dem zweiten Pulver oder der zweiten pulverartigen Mischung oder dem zweiten Grünkörper ein den Kontaktkörper bzw . Kontaktträger 31 , 41 des Kontaktelements bildender Bereich mit Einlassungen 33 , 43 entsteht .

Am Ende des SPS-Verf ährens steht ein Kontaktträger bzw . ein Kontaktelement zur Verfügung, dessen Oberflächen abhängig von der zu erzielenden Qualität noch bearbeitet werden müssen, beispielsweise durch Polieren, beispielsweise um eine möglichst plane , rillenfreie Kontakt fläche zu erzielen . Gegenüber bekannten Verfahren entfällt j edoch das Schlitzen des Spulenkörpers sowie das Entgraten der Schlitze . Außerdem ist es gegenüber Schlitzverfahren möglich, die Formteile nahezu beliebig aus zugestalten und damit das Magnetfeld zu optimieren .

Von Vorteil ist , dass der gesinterte Spulenkörper bzw . das gesinterte Kontaktelement sehr endkonturnah ist , d . h . bei der finalen Bearbeitung fällt nur wenig Abfallmaterial an .

In vorteilhaften Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Spulenkörper aus einem Verbundmaterial zu fertigen, indem anstelle von reinem Kupferpulver ein geeignetes , im gesinterten Zustand die Festigkeit von Kupfer übersteigendes Pulvergemisch aus Kupfer und einem weiteren Material zugegeben wird . Dies kann auch lokal beschränkt erfolgen, d . h . beispielsweise in Bereichen des Spulenkörpers , die besonderen mechanischen und/oder elektrischen Belastungen ausgesetzt sind wie etwa die Fügestellen zwischen Kontakt und Anschlussbol zen .

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 Spulenkörpern und Kontakten mittels der hier beschriebenen Prinzipien zu konzipieren und zu fertigen . Ebenso sind die als bevorzugt bezeichneten Materia- lien 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 .