DE3151907A1 - Vakuumschaltroehre mit einem ring zur erzeugung eines axialen magnetfeldes - Google Patents

Description

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Berlin und München VPA 81 P 3 7 9 2 DE

Vakuumschaltröhre mit einem Ring zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhe mit zwei relativ zueinander bewegbaren, an Trägerbolzen angeordneten Schaltstücken von zylinderscheibenförmiger Grundform, an deren Rückseite zur Erzeugung eines axial gerichteten Magnetfeldes ein galvanisch offener Ring angeordnet ist, der durch ein radial verlaufendes Leiterstück mit dem Trägerbolzen in Verbindung steht.

Eine Vakuumschaltröhre dieser Art ist z. B. durch die Druckschrift 80 SM 700-5 IEEE PAS Summer Meeting 1980 bekannt geworden. Der Ring hat dabei etwa denselben Außendurchmesser wie das eigentliche Schaltstück und ist in Umfangsrichtung in Quadranten geteilt, die jeweils mit einem vom Zentrum ausgehenden Leiterstück in Verbindung stehen, über die der Strom vom Trägerbolzen zu den Quadranten fließt. Zum übertritt des Stromes auf das Schaltstück sind die freien Enden der Quadranten des Ringes mit Erhebungen versehen. Das Schaltstück ist radial mehrfach geschlitzt, um Wirbelströme im Stromnulldurchgang zu unterdrücken. Jedoch begrenzen diese Schlitze andererseits das Schaltvermögen der Vakuumschaltröhre, weil Lichtbögen dazu neigen, an Kanten stehen zu bleiben und dort erhöhten Abbrand mit entsprechender Metalldampfbildung zu veranlassen.

Es ist auch bekannt, ein axiales Magnetfeld durch eine außerhalb des Vakuumraumes an der Außenseite des vakuumdichten Gehäuses angebrachte Feldwicklung zu erzeugen (DE-A-29 11 706). Einerseits lassen sich in Verbindung hiermit beliebige Formen von Schaltstücken verwenden, andererseits bildet die Feldwicklung einen beträcht-

Et 3 Sho / 03.12.1981

lichen Aufwand hinsichtlich des Leiterwerkstoffes und des Raumbedarfes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung eines dem Schaltstück axial benachbart angeordneten 'Ringes als Feldwicklung eine Schaltstückanordnung mit unterbrechungsfreier Lauffläche für den Lichtbogen zu schaffen.

Gemäß der Erfindung entspricht der innere Durchmesser des Ringes etwa dem Außendurchmesser des Schaltstückes, und der Ring besitzt eine einzige Trennfuge, von der unmittelbar angrenzend einerseits das mit dem Trägerbolzen verbundene Leiterstück und andererseits ein weiteres, zum Zentrum des Schaltstückes führendes Leiterstück abzweigt.

Da hierbei die Stromzuführung zu dem eigentlichen Schaltstück an zentraler Stelle erfolgt, also dort, wo bei herkömmlicher Ausführung das Schaltstück mit dem Trägerbolzen fest verbunden ist, können alle üblichen Schaltstückformen für diese Befestigungsart benutzt werden. Insbesondere kommen hierfür die sogenannten Topfkontaktstücke mit unterbreehungsfreiem Laufring in Betracht, wie sie z. B. in der DE-A-26 38 700 beschrieben sind.

Diese bewirken durch unterhalb des Laufringes angeordnete schräge Schlitze einen Umlauf des Lichtbogens auf der Ringfläche. Wird nun zusätzlich das axiale Magnetfeld des als Feldwicklung dienenden Ringes wirksam, so wird das Schaltvermögen noch erheblich gesteigert, weil dieses Magnetfeld der Kontraktion des Lichtbogens bei hohen Strömen entgegenwirkt und damit Abbrand und Metalldampfbildung gering bleiben. Wesentlich ist dabei, daß das axiale Magnetfeld bereits am äußeren Rand des Schalt-Stückes zur Verfügung steht und die gesamte Fläche des Schaltstückes durchsetzt. Da die Feldwicklungen beider.

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zusammenwirkender Schaltstücke gleichsinnig vom Strom durchflossen werden, wirken bei geschlossenem Schalter anziehende Kräfte, die eine Abhebung der Schaltstücke unter dem Einfluß von Stoßströmen verhindern.

Es erweist sich als vorteilhaft, die Leiterstücke im Querschnitt dreieckförmig auszubilden, derart, daß beide Leiterstücke zusammen ein Rechteck ausfüllen. Sofern die zwischen den Leiterstücken auftretenden spreizenden Stromkräfte ein Problem bilden, kann man aber die Leiterstücke auch so anordnen, daß zwischen den Einmündungsstellen in den Ring in Umfangsrichtung ein Abstand besteht. Ferner empfiehlt es sich, die Trennfuge des Ringes wenigstens örtlich durch nichtleitende bzw. schlechtleitende Stützkörper auszufüllen, um die mechanische Stabilität zu erhöhen.

Zur Steigerung der mechanischen Stabilität empfiehlt es sich ferner, zwischen dem Ring und dem Schaltstück wenigstens örtlich nichtleitende bzw. schlechtleitende Stützkörper anzuordnen. Eine weitere Steigerung der mechanischen Festigkeit der Anordnung ist in diesem Zusammenhang durch einen Stützring aus nichtleitendem bzw. schlechtleitendem Werkstoff zu erzielen, der zwischen dem Trägerbolzen und dem Ring auf der dem Schaltstück abgewandten Seite angeordnet ist.

Für die Montage des Kontaktsystems ergeben sich Vorteile durch die Verwendung eines zentralen Befestigungselementes, durch das das Schaltstück und der Ring gemeinsam mit dem Trägerbolzen verbunden sind. Um die erwünschte Stromverteilung nicht zu stören, kann dieses Befestigungselement aus einem nichtleitenden bzw. schlechtleitenden Werkstoff hergestellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

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Die Fig. 1 zeigt eine Vakuumschaltröhre schematisch in einem Längsschnitt, wobei jedes Schaltstück mit einem nach der Erfindung gestalteten Ring als Feldwicklung versehen ist.
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Einzelheiten der in Fig. 1 gezeigten Schaltstückanordnungen sind den Fig. 2 und 3 zu entnehmen, die einen axialen Schnitt zeigen, und zwar in Fig. 3 quer zu den radialen Leiterstücken des Ringes und in Fig. 4 in Längsrichtung dieser Leiterstücke. Die Fig. 4 ist eine Draufsicht auf einen Ring als Einzelteil.

In der Fig. 5 ist ein Schaltstück mit einem zugehörigen Ring in perspektivischer Ansicht auseinandergezogen dargestellt. Der hierbei abweichend von den Fig. 2, 3 und 4 gestaltete Ring ist gesondert in der Draufsicht in Fig. 6 gezeigt.

Die Fig. 7 zeigt eine etwa der Fig. 3 entsprechende axiale Schnittdarstellung einer Schaltstückanordnung, die zusätzlich einen Stützring aufweist.

Die Vakuumschaltröhre 1 gemäß der Fig. 1 weist ein vakuumdichtes Gehäuse 2 auf, das zwei endseitige, im wesentlichen hohlzylindrische Isolierkörper 3 und 4 aus einem keramischen Werkstoff sowie einen mittleren· hohlen Metallzylinder 5 umfaßt. Aus dem Gehäuse 2 ragt nach oben ein beweglicher Trägerbolzen 6 heraus, der gegenüber dem Gehäuse 2 durch einen Federbalg 7 abgedichtet ist. Ein zweiter mit dem Trägerbolzen 6 fluchtend angeordneter, jedoch fest mit dem Gehäuse 2 verbundener Trägerbolzen 10 ragt auf der gegenüberliegenden Seite aus dem Isolierkörper 4 des Gehäuses 2 heraus.

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Die Trägerbolzen 6 und 10 dienen als Träger einer beweglichen Schaltstückanordnung 11 und einer feststehenden Schaltstückanordnung 12, deren übereinstimmender Aufbau im folgenden näher beschrieben wird.

Jede der Schaltstückanordnungen 11 und 12 besitzt den in der Fig. 2 anhand der Schaltstückanordnung 12 dargestellten Aufbau. Das eigentliche Schaltstück 14 ist ein sogenannter Topfkontakt mit geschlossener Lauffläche, wie er beispielsweise in der DE-A-26 38 700 beschrieben ist. Wesentliche Bestandteile des Schaltstückes 14 sind ein topfförmiger Körper 15 aus Kupfer, der an seinem Rand mit schräg verlaufenden Schlitzen 16 versehen ist. Der kreisringförmige Rand des Körpers 15 ist mit einem ungeschlitzten Ring 17 bedeckt, der aus einem Chrom-Kupfer-Verbundwerkstoff besteht.

Dem Schaltstück 14 ist eine Feldwicklung zugeordnet, welche die Gestalt eines Ringes 20 hat, dessen Innendurchmesser etwa dem Außendurchmesser des Schaltstückes entspricht. Dieser Ring ist mit einer schräg zur Ringebene verlaufenden Trennfuge 21 versehen, zu deren beiden Seiten zwei radiale Leiterstücke in Gestalt von Speichen 22 bzw. 23 in den Ring einmünden. Im Zentrum des Ringes 20 liegen die Speichen 22 und 23 elektrisch voneinander isoliert übereinander (Fig. 3). Durch Pfeile ist angedeutet, daß der durch den Trägerbolzen 10 fließende Strom zunächst durch die Speiche 22 in den Ring 20 eintritt, den Ring durchfließt und dann durch die Speiche wieder zum Zentrum des Ringes zurückgeleitet wird. An dieser Stelle besteht eine elektrische Verbindung mit dem Boden 24 des Schaltstückes 14, durch den der Strom zu dem ringförmigen eigentlichen Kontaktbereich gelangt.

Wie bei der Betrachtung der Fig. 2 zu erkennen ist, erzeugt der durch den galvanisch offenen Ring 20 fließende

Strom ein axial gerichtetes Magentfeld, das infolge der Abstimmung der Durchmesser des Schaltstückes 14 und des Ringes 20 bereits am äußeren Rand des Laufringes 17 wirksam ist. Dieses Magnetfeld hat die Wirkung, der Kontraktion einer diffusen Lichtbogenentladung zu einem konzentrierten Lichtbogenkanal entgegenzuwirken. Das Schaltvermögen einer Vakuumschaltröhre läßt sich hierdurch beträchtlich steigern, weil der Laufring 14 örtlich weniger erhitzt und weniger Metalldampf freige-

TO setzt wird. Hierzu trägt auch die Anordnung der schrägen Schlitze 16 bei, die in Verbindung mit entsprechenden, gegenläufigen Schlitzen der in Fig. 2 nicht gezeigten zugehörigen weiteren Schaltstückanordnung 11 eine rasche Bewegung des Lichtbogens über die Kontaktfläche des Laufringes 17 bewirkt.

Zu einem besonders günstigen Zusammenwirken zwischen dem geschlitzten Schaltstück 14 und dem Ring 20 kommt es dann, wenn die Schlitze 16 so ausgeführt werden, daß sie sich bis in den Topfboden 24 hinein möglichst weit zum Zentrum erstrecken. Dann werden nämlich Wirbelströme, die im Nulldurchgang des Stromes ein phasenverschobenes und somit störendes Magnetfeld hervorrufen, weitgehend unterdrückt.Die Anordnung der Schlitze ist insbesondere der Fig. 5 zu entnehmen, wo sie mit 42 bezeichnet sind.

Wie man erkennt, sind das Schaltstück 14 und der Ring 20 axial unmittelbar benachbart angeordnet. Im Bereich der einander zugewandten Kanten sind Stützkörper 24 angeordnet, die aus einem schlechtleitenden oder nichtleitenden Werkstoff, z. B. aus Keramik, bestehen können, um die beiden Teile gegeneinander abzustützen und elektrisch zu isolieren. Ähnliche Stützkörper 25 befinden sich in der Trennfuge 21 zwischen den Speichen 22 und 23, die von der Trennfuge 21 des Ringes 20 ausgehen. Eine flächen-

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hafte Berührung besteht dagegen zwischen der Speiche und dem Boden 24 des Schaltstückes 14, weil hier der Strom auf das Schaltstück übergeleitet wird. Die Anordnung wird durch eine Schraube 27 zusammengehalten, die sich durch den Boden 24 des Schaltstückes 14 sowie den zentralen Teil der Speichen 22 und 23 erstreckt und in ein mit Gewinde versehenes Sackloch 30 des Trägerbolzens 10 eingeschraubt ist. Das mit einem entsprechenden Gewinde versehene untere Ende 31 der Schraube 27 ist hierzu derart verdickt ausgeführt, daß auf der übrigen Länge zwischen der Schraube 27 und den Speichen sowie dem Sackloch des Trägerbolzens 10 keine Berührung besteht. Somit kann nur ein kleiner Teil des Stromes direkt von dem Trägerbolzen 10 zu dem Schaltstück 14 fließen, der für die Erzeugung des gewünschten axialen Magnetfeldes verloren geht. Sofern die Schraube 27 aus einem Werkstoff schlechter elektrischer Leitfähigkeit besteht, läßt sich der erwähnte Verlust noch verringern.

Die Speichen 22 und 23 werden in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen. Dies führt zu abstoßenden Kräften, die in geeigneter Weise aufgefangen werden können. Zum Beispiel kann dies durch die Anordnung einer oder mehrerer Schrauben oder ähnlicher Befestigungsmittel 32 geschehen, die in der Fig. 3 gezeigt ist.

Die auf die Speichen 22 und 23 wirkenden Stromkräfte können noch dadurch leichter beherrschbar gemacht werden, daß man anstelle der dreieckigen Querschnittsform entsprechend der Fig. 3, die zusammen ein Dreieck ergibt, zumindest auf einem Teil der radialen Länge der Speichen beide Speichen rechteckförmig gestaltet, wobei die zwischen ihnen befindliche Fuge parallel zur Schaltstückebene liegt. Die abstoßenden Kräfte wirken dann nur in axialer Richtung, während sie bei der in Fig.

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gezeigten Form der Speichen auch eine tangentiale Komponente besitzen, die im Sinne einer Aufweitung des Ringes wirken. In beiden Fällen aber liegen die Speichen in der Draufsicht entsprechend der Fig. 4 übereinander.

Ordnet man dagegen die Speichen gemäß den Fig. 5 und 6 so an, daß sie mit einem Abstand in Umfangsrichtung in den Ring einmünden, so werden bei richtiger Ausführung die abstoßenden Kräfte kompensiert und es entsteht eine weitgehend von Stromkräften freie Ringanordnung. In dieser abweichenden Ausführung ist der als Feldwicklung dienende Ring mit 35, die mit dem Boden des Schaltstückes zu verbindende obere Speiche mit 36 und die untere Speiche mit 37 bezeichnet. Die Wirkungsweise dieser Anordnung besteht darin, daß auf einem Teil des Umfanges, nämlich über die Länge der Trennfuge 40, beidseitig derselben die gleiche Richtung des Stromes besteht und dadurch anziehende Kräfte entstehen. Gleichzeitig sind die abstoßenden Kräfte zwischen den gegensinnig durchströmten Speichen 36 und 37 relativ gering infolge ihres vergrößerten Abstandes. Diese Verteilung des durch den Trägerbolzen 34 eintretenden Stromes i ist sowohl in der Fig. 5 als auch in der Fig. 6 durch Pfeile angedeutet.

In der perspektivischen Darstellung gemäß der Fig. 5 sind das eigentliche Schaltstück 41 und der Ring 35 auseinandergezogen dargestellt. Dieses Schaltstück entspricht im wesentlichen dem bereits erläuterten Schaltstück 14 gemäß der Fig. Z. Ergänzend ist dabei zu erkennen, daß die schräg angeordneten Schlitze 42, die zum Antrieb der Schaltlichtbögen in Umfangsrichtung durch Bildung einer Stromschleife dienen, in den Bolzen 43 hinein verlängert sind und sich bis nahe zum Zentrum erstrecken.

Die Schaltstücke von Vakuumschaltröhren, insbesondere solcher für höhere Nennströme und Schaltleistungen,

sind im Betrieb einer beträchtlichen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt. Falls daher Anlaß bestehen sollte, die bisher beschriebenen Kontaktanordnungen mechanisch besonders widerstandsfähig auszuführen, so kann dies durch einen Stützring entsprechend der Darstellung in der Fig. 7 geschehen. Die Schaltstückanordnung als solche entspricht den Fig. 2 und 3. Zusätzlich ist der Trägerbolzen 45 mit einem Absatz 46 versehen, auf dem ein z. B. aus einem keramischen Werkstoff hergestellter Stützring 47

TO aufliegt. An seinem äußeren Umfang ist der Stützring 47 mit einer Eindrehung 50 versehen, auf der der als Feldwicklung dienende Ring 20 aufliegt. Die beim Einschalten auf das Schaltstück und diesen Ring wirkenden Stoßkräfte brauchen also nicht allein von diesen Teilen aufgenommen zu werden, sondern werden über den Stützring 47 auf den Trägerbolzen 45 geleitet. Unter Umständen kann es ausreichend sein, anstelle eines geschlossenen Stützringes einen in gleicher Weise wirkenden Stützkörper zu verwenden, der ausgehend von einer ringförmigen Nabe radiale Arme aufweist, auf denen der als Feldwicklung dienende Ring an einzelnen Punkten aufliegt.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, daß sich ein besonders hohes Schaltvermögen durch die Kombination eines axialen Magnetfeldes mit schräg geschlitzten Topfkontaktstücken ergibt, bei denen die Schaltlichtbögen in Umlauf auf einer Ringfläche gebracht werden. Falls aber dieses maximale Schaltvermögen nicht benötigt wird, kann es ausreichend sein, ein Schaltstück mit einfacherem Aufbau zu verwenden.

Die Vakuumschaltröhre läßt sich auf diese Weise den durch den Anwendungsbereich gegebenen Anforderungen an das Schaltvermögen verhältnismäßig einfach anpassen. 35

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   (i.· I Vakuumschaltröhre (1) mit zwei relativ zueinander bewegbaren, an Trägerbolzen (10) angeordneten Schaltstücken (14) von zylinderscheibenförmiger Grundform, an deren Rückseite zur Erzeugung eines axial gerichteten Magnetfeldes ein galvanisch offener Ring (20) angeordnet ist, der durch ein radial verlaufendes Leiterstück. t-22) mit. dem Trägerbolzen (10) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser des Ringes (20) etwa dem Außendurchmesser des Schaltstückes (1A) entspricht und der Ring (20) eine einzige Trennfuge (21) besitzt, von der unmittelbar angrenzend einerseits das mit dem Trägerbolzen (10) verbundene Leiterstück (22) und andererseits ein weiteres, zum Zentrum des Schaltstückes (14) führendes Leiterstück (23) abzweigt.
2. 2. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Leiterstück (22, 23) im Querschnitt dreieckförmig ausgebildet ist und beide Leiterstücke zusammen ein Rechteck ausfüllen.
3. 3. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Einmündungsstellen der Leiterstücke (36, 37) in den Ring (35) in Umfangsrichtung ein Abstand besteht.
4. 4. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet, daß die Trennfuge (21; 40) des Ringes (20; 35) wenigstens örtlich durch nichtleitende bzw. schlechtleitende Stützkörper (25) ausgefüllt ist.
5. 5. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet, daß zwischen dem Ring (20) und dem Schaltstück (14) wenigstens örtlich nichtleitende bzw. schlechtleitende Stützkörper (24) zugeordnet sind.

   ·£· VPA 81 P 3 7 92 DE
6. 6. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Trägerbolzen (45) und dem Ring (20) auf der dem Schaltstück (14) abgewandten Seite angeordneten Stützring (47) aus nichtleitendem bzw. schlechtleitendem Werkstoff.
7. 7. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Schaltstück (14) und der Ring (20) gemeinsam durch ein zentrales, die Leiterstücke (22, 23) durchsetzendes Befestigungselement (27) aus nichtleitendem bzw. schlechtleitendem Werkstoff mit dem Trägerbolzen (10) verbunden sind.
8. 8. Vakuumschaltrphre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstücke als Topfkontaktstück (14; 41) mit schrägen Schlitzen (16; 42) ausgebildet sind, die in den Boden (24) hinein bis nahe zum Zentrum verlängert sind.