一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102881511 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 1 5 1 1 A *CN102881511A* (21)申请号 201210360923.9 (22)申请日 2012.09.21 H01H 33/664(2006.01) H01H 1/06(2006.01) H01H 1/025(2006.01) (71)申请人西安交通大学 地址 710048 陕西省西安市咸宁路28号 申请人辽宁金力源新材料有限公司 (72)发明人王亚平 王慧馨 (74)专利代理机构西安智大知识产权代理事务 所 61215 代理人何会侠 (54) 发明

2、名称 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的 触头 (57) 摘要 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的 触头，在其中分布有易于发生电击穿的第二相或 第二相与铜基合金的混合材料，这些第二相或第 二相与铜基合金的混合材料从触头中心开始形成 连续排列区域，这些连续排列区域呈现出从触头 中心的辐射状、圆环状或螺旋状，从而能够诱导 电弧沿着富第二相的区域进行定向的连续扩展运 动。这些连续排列区域呈现出从触头中心的辐射 状、圆环状或螺旋状等。与横向磁场的作用类似， 这种第二相连续排列的区域可以为电弧提供连续 定向连续扩展运动的通路，从而能够减轻触头表 面的电弧烧蚀，提高开关的开断能力。 (51)Int

3、.Cl. 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/2页 2 1.一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其特征在于，在其中分布有易于 发生电击穿的第二相或第二相与铜基合金的混合材料，这些第二相或第二相与铜基合金的 混合材料从触头中心开始形成连续排列区域，这些连续排列区域呈现出从触头中心的辐射 状、圆环状或螺旋状。 2.根据权利要求1所述的触头，其特征在于，触头由铜基合金材料作为基体，铜基合金 材料的成份范围包括：铜铬系合金为含有质量百分比1-70%铬的铜合金；铜钨系合金为含 有质

4、量百分比20-90%钨的铜合金；铜钨碳化钨系合金为含有质量百分比0-50%钨、质量百 分比1-60%碳化钨的铜合金；铜铋系合金为含有质量百分比1-10%铋的铜合金；铜铁系合 金为含有质量百分比1-50%铁的铜合金；在铜基体中，还含有质量百分比为0-5%铝、0-5% 硒、0-5%碲；第二相的成份包括碳材料、稀土或稀土氧化物、碳化物、金属氧化物、多元陶瓷 相，第二相区域由上述第二相或其与铜基材料的混合物组成；在混合物中，第二相的质量比 例为2-98%。 3.根据权利要求1所述的触头，其特征在于，第二相成份中的碳的存在形式可为碳纤 维、碳布、石墨粉、碳黑粉或碳管粉末。 4.根据权利要求1所述的触头，

5、其特征在于，第二相成份中的稀土或稀土氧化物包括 镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬 (Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu、钪(Sc)和钇(Y)或其氧化物。 5.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，其铜基材料为含有质量百分比为47-52% 铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-3%碳、44-51%铬的碳/铜铬触头区域，第 二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基体材料中，第二相的近矩形区域在横截面上 的宽度为0.1-2mm。 6.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，其铜基材料为含

6、有质量百分比为22-28% 铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-3%碳、19-27%铬的碳/铜铬触头区域，第 二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的圆环状区域在横截面 上的宽度为0.1-2mm。 7.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，其铜基材料为含有质量百分比为22-28% 铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-3%碳、19-27%铬的碳/铜铬触头区域，第 二相区域从中心开始呈螺旋线状，第二相的螺旋线在触头横截面上的宽度为0.1-2mm。 8.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，其铜基材料为含有质量百分比为47-52% 铬的铜铬触头，第二相区域为含

7、有质量百分比为2-5%碳、42-50%铬的碳/铜铬触头区域，第 二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的圆环状区域间具有宽 度在横截面上的宽度为0.1-2mm，每个相邻圆环状区域间具有宽度为0.1-2mm的类矩形通 道。 9.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，其铜基材料为含有质量百分比为20-80% 碳化钨的铜碳化钨触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%的二氧化钍、15-78%碳化钨 的二氧化钍/铜碳化钨触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材 料中，第二相的圆环状区域在横截面上的宽度为0.1-2mm。 10.根据权利要求2所述的触头，其特征在于，

8、其铜基材料为含有质量百分比为22-28% 铬的铜铬触头，第二相区域为纯碳的区域，第二相区域从中心开始呈螺旋线状，第二相的螺 权 利 要 求 书CN 102881511 A 2/2页 3 旋线在触头横截面上的宽度为0.1-0.5mm。 权 利 要 求 书CN 102881511 A 1/4页 4 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头 技术领域 0001 本发明涉及一种真空开关所用的触头材料，特别涉及一种具有控制真空电弧定向 扩展运动功能的触头。 背景技术 0002 触头是真空断路器、接触器、负荷开关等真空开关电器中的关键元件，承担接通、 断开电弧电路和负载电路电流的任务，要求其具有在真空间

9、隙中的高电压承载能力、高的 开断能力以及低的截流值、熔焊趋向等性能。目前，真空开关电器中尚没有要求和考虑到用 触头特性来控制开关开断过程中的电弧行为，使电弧在电极表面形成定向的扩展运动。 0003 真空电弧是真空开关关合和断开电路过程中必然伴随的现象，对其行为和过程的 控制是真空开关设计的核心，只有实现了电弧产生、运动和熄灭行为的可控，才能控制触头 烧蚀程度和电路的成功开断。 0004 目前，真空开关中采用磁场来控制触头表面的电弧行为，主要包括：（1）用横向磁 场来驱使真空电弧在触头表面切向快速运动，减轻电弧对电极表面的烧蚀；（2）用纵向磁 场来控制电极间隙空间的电弧压力、空间密度和能量分布，

10、延缓了电极表面形成电弧集聚 燃烧，从而提高了开关的开断能力。这类技术中，在电极间隙实现磁场的方法是将触头及其 支撑底座加工成复杂的沟槽结构，使电极表面电流或电弧斑点按照一定方向运动。这个方 法的弱点一是沟槽结构大幅度降低了触头系统的机械强度和触头的载流密度，也进而在一 定程度上降低了开关的开断电流能力；二是大幅度提高了生产加工成本。 发明内容 0005 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有控制真空电弧定 向扩展运动功能的触头，不需将触头中加工成沟槽结构以产生横向或纵向磁场，用改变触 头自身显微组织特性实现控制真空电弧的定向、扩展运动，从而实现提高真空开关的开断 容量，大幅度

11、提高触头系统的机械强度和载流密度，显著降低生产成本。 0006 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为： 0007 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，在其中分布有易于发生电击穿 的第二相或第二相与铜基合金的混合材料，这些第二相或第二相与铜基合金的混合材料从 触头中心开始形成连续排列区域，这些连续排列区域呈现出从触头中心的辐射状、圆环状 或螺旋状。 0008 上述触头由铜基合金材料作为基体，铜基合金材料的成份范围包括：铜铬系合金 为含有质量百分比1-70%铬的铜合金；铜钨系合金为含有质量百分比20-90%钨的铜合金； 铜钨碳化钨系合金为含有质量百分比0-50%钨、质量百分比1-60%

12、碳化钨的铜合金；铜铋 系合金为含有质量百分比1-10%铋的铜合金；铜铁系合金为含有质量百分比1-50%铁的铜 合金；在铜基体中，还含有质量百分比为0-5%铝、0-5%硒、0-5%碲；第二相的成份包括碳材 料、稀土或稀土氧化物、碳化物、金属氧化物、多元陶瓷相，第二相区域由上述第二相或其与 说 明 书CN 102881511 A 2/4页 5 铜基材料的混合物组成；在混合物中，第二相的质量比例为2-98%。 0009 第二相成份中的碳的存在形式可为碳纤维、碳布、石墨粉、碳黑粉或碳管粉末。 0010 第二相成份中的稀土或稀土氧化物包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷 (Pm)、钐(

13、Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu、 钪(Sc)和钇(Y)或其氧化物。 0011 第二相区域由第二相或其与铜合金的混合物组成。第二相合金与铜基材料相比， 具有更易产生电弧和稳定电弧的特性，使电弧能够延着第二相区域快速扩展和定向运动。 0012 在其中分布有易于发生电击穿的第二相或第二相与铜基合金的混合材料（第二相 的功函数低于合金基体材料），这些第二相或第二相与铜基合金的混合材料从触头中心开 始形成一定宽度的连续排列区域，从而能够诱导电弧沿着富第二相的区域进行定向的连续 扩展运动。这些连续排列区域呈现出从触头中心的辐

14、射状、圆环状或螺旋状等。与横向磁场 的作用类似，这种第二相连续排列的区域可以为电弧提供连续定向连续扩展运动的通路， 从而能够减轻触头表面的电弧烧蚀，提高开关的开断能力。 附图说明 0013 图1是本发明的具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头结构的横截面示意 图示例1。 0014 图2是本发明的具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头结构的横截面示意 图示例2。 具体实施方式 0015 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 0016 实施例一 0017 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百 分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1

15、-3%碳、44-51%铬的碳/铜 铬触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基体材料中，参照图1所示，标 号1指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，触头材料基体整体如扇形，第二 相的近矩形区域在横截面上的宽度为0.1-2mm。 0018 实施例二 0019 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百 分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-3%碳、19-27%铬的碳/铜 铬触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，参照图2所示， 标号1指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相的圆环状区域

16、在横截面 上的宽度为0.1-2mm。 0020 实施例三 0021 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百 分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-3%碳、19-27%铬的碳/铜 铬触头区域，第二相区域从中心开始呈螺旋线状，第二相的螺旋线在触头横截面上的宽度 为0.1-2mm。 说 明 书CN 102881511 A 3/4页 6 0022 实施例四 0023 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量 百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%碳、42-50%铬的碳 /铜铬触头区域，

17、第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的 圆环状区域间具有宽度在横截面上的宽度为0.1-2mm，每个相邻圆环状区域间具有宽度为 0.1-2mm的类矩形通道。 0024 实施例五 0025 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百 分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-10%氧化铈、37-51%铬的 氧化铈/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基体材料中，参照 图1所示，标号1指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，整体如扇形，第二相 的近矩形区域在横截面上的宽度为0.1-2mm。 0026

18、实施例六 0027 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百 分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%的二氧化钍、17-26% 铬的二氧化钍/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料 中，参照图2所示，标号1指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相的圆 环状区域在横截面上的宽度为0.1-2mm。 0028 实施例七 0029 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百 分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%碳化硅、17-26%铬的碳 化硅/铜

19、铬触头区域，第二相区域从中心开始呈螺旋线状，第二相的螺旋线在触头横截面 上的宽度为0.1-2mm。 0030 实施例八 0031 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百 分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-10%氧化镧、37-51%铬的 氧化镧/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜铬合金基体材料中，第 二相的圆环状区域间具有宽度在横截面上的宽度为0.1-2mm，每个相邻圆环状区域间具有 宽度为0.1-2mm的类矩形通道。 0032 实施例九 0033 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百

20、 分比为20-80%钨的铜钨触头，第二相区域为含有质量百分比为1-10%氧化铈、10-79%钨的 氧化铈/铜钨触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基体材料中，如图1 所示，标号1指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相的近矩形区域在 横截面上的宽度为0.1-2mm。 0034 实施例十 0035 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百 分比为20-80%碳化钨的铜碳化钨触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%的二氧化钍、 15-78%碳化钨的二氧化钍/铜碳化钨触头区域，第二相区域从中心开始呈圆环形分布于铜 说 明 书CN 10288

21、1511 A 4/4页 7 铬合金基体材料中，如图2所示，标号1指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区 域，第二相的圆环状区域在横截面上的宽度为0.1-2mm。 0036 实施例十一 0037 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量百 分比为22-28%铬的铜铬触头，第二相区域为纯碳的区域，第二相区域从中心开始呈螺旋线 状，第二相的螺旋线在触头横截面上的宽度为0.1-0.5mm。 0038 实施例十二 0039 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量 百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为纯氧化镧区，第二相区域从中心开始

22、呈圆 环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的圆环状区域间具有宽度在横截面上的宽度为 0.1-2mm，每个相邻圆环状区域间具有宽度为0.1-3mm的类矩形通道。 0040 实施例十三 0041 一种具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头，其铜基合金材料为含有质量 百分比为20-80%钨的铜钨触头，第二相区域为纯氧化钍区，第二相区域从中心开始呈圆 环形分布于铜铬合金基体材料中，第二相的圆环状区域间具有宽度在横截面上的宽度为 0.1-2mm，每个相邻圆环状区域间具有宽度为0.1-2mm的类矩形通道。 0042 实施例十四 0043 一种圆柱形的具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头材料，其铜基合金材

23、料 为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-10%氧化 铈、20-30%铬的氧化铈/铜铬触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基 体材料中，如图1所示，标号1指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相 的近矩形区域在横截面上的宽度为0.1-2mm。 0044 实施例十五 0045 一种圆柱形的具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头材料，其铜基合金材料 为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为1-10%氧化 镧、20-30%钨的氧化镧/铜钨触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合金基 体材料中，如

24、图1所示，标号1指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第二相 的近矩形区域在横截面上的宽度为0.5-2mm。 0046 实施例十六 0047 一种圆柱形的具有控制真空电弧定向扩展运动功能的触头材料，其铜基合金材料 为含有质量百分比为47-52%铬的铜铬触头，第二相区域为含有质量百分比为2-5%氧化钍、 20-30%碳化钨的氧化铈/铜碳化钨触头区域，第二相区域从中心开始呈径向分布于铜铬合 金基体材料中，如图1所示，标号1指示的为触头材料基体，标号2指示的为第二相区域，第 二相的近矩形区域在横截面上的宽度为0.1-1mm。 说 明 书CN 102881511 A 1/1页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102881511 A