DE1029497B

DE1029497B - Working pair of direct current electrical contacts

Info

Publication number: DE1029497B
Application number: DEST7890A
Authority: DE
Inventors: Else M K Holm; Ragnar Holm
Original assignee: Stackpole Carbon Co
Current assignee: Stackpole Carbon Co
Priority date: 1953-03-12
Filing date: 1954-03-10
Publication date: 1958-05-08
Also published as: GB758953A; US2770700A

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft ein zusammenarbeitendes Paar Gleichstrom führender elektrischer Kontakte, die einen Lichtbogen bilden, wenn die Kontakte voneinander getrennt werden, und nur geringe Materialvvanderung von der Kathode zur Anode zeigen.The invention relates to a cooperating pair of electrical contacts carrying direct current, which form an arc when the contacts are separated from each other and only minimal material migration point from cathode to anode.

Die Lebensdauer solcher Kontakte ist hauptsächlich durch die Abnutzung beschränkt, die von dem elektrischen Strom bewirkt wird. Ein Teil des Verschleißes wird durch die Wärme hervorgerufen, die während des öffnens der Kontakte vor ihrer endgültigen Trennung erzeugt wird. Diese Abnutzung besteht normalerweise aus der Übertragung oder dem Transport von Kontaktmaterial von der Anode zur Kathode, die gewöhnlich Brückenübertragung genannt wird. Ein anderer, im allgemeinen größerer Teil des Verschleißes wird durch den elektrischen Lichtbogen erzeugt, der gewöhnlich entsteht, während sich die Kontakte trennen oder schließen. Der Lichtbogen kann dadurch vermieden werden, daß die Spannung während der Kontaktöffnung und -Schließung kleiner als die kleinste Lichtbogenspannung gehalten wird, wie beispielsweise durch die Anwendung einer niedrigen elektromotorischen Kraft und eines halbleitenden Spannungsbegrenzers parallel zu den Kontakten. Jedoch ist es oft nicht erwünscht oder möglich, die Spannung auf diese Weise zur Vermeidung eines Lichtbogens zu begrenzen.The life of such contacts is mainly limited by the wear and tear exerted by the electrical Electricity is effected. Part of the wear and tear is caused by the heat generated during the opening of the contacts before their final separation is produced. This wear and tear usually consists of transferring or transportation of contact material from the anode to the cathode, commonly called bridge transfer. A other, generally greater, part of the wear is generated by the electric arc, the usually arises while the contacts separate or close. The arc can thereby avoid that the voltage during the contact opening and closing is less than the smallest arc voltage is maintained, for example by applying a low one electromotive force and a semiconducting voltage limiter parallel to the contacts. However It is often not desirable or possible to avoid tension in this way Limit the arc.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines zusammenarbeitenden Paares Gleichstrom führender elektrischer Kontakte, die sich beim öffnen oder Schließen nicht merklich abnutzen.The object of the invention is to create a cooperating Pair of electrical contacts carrying direct current, which open when or Closing does not wear out noticeably.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß wenigstens einer der Kontakte aus einem Material hergestellt ist, das den Anodenspannungsabfall im Lichtbogen erhöht, wenn der Strom eine für das verwendete Material charakteristische Grenze überschreitet. This is achieved according to the invention in that at least one of the contacts is made of a material that increases the anode voltage drop in the arc when the current is one for the one used Material exceeds characteristic limit.

Durch diese Maßnahme wird eine Begrenzung der Übertragung von Kathodenmaterial an die Anode erreicht und dadurch ein Gleichgewicht erzielt, so daß im wesentlichen kein Verschleiß oder Aufbau an einem der Kontakte erfolgt. Die Erfindung ist im besonderen auf Gleichstromkontakte anwendbar, wo der Strom und die Kontaktdrücke außerordentlich niedrig sind.This measure limits the transfer of cathode material to the anode and thereby achieved a balance so that there is essentially no wear or build-up one of the contacts takes place. The invention is particularly applicable to DC contacts where the current and contact pressures are extremely low.

Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß die Brückenübertragung, die den Fällen ohne Lichtbogen zugeordnet ist, wesentlich dadurch beseitigt werden kann, daß man den Anodenkontakt aus einem Gemisch von 20 bis 70% Silber, aber bevorzugt nicht über 40%, 2 bis 8% Nickel, bevorzugt aber ungefähr 5 %, und im übrigen aus Gold herstellt. Alle Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht. Das Material kann eine Legierung oder ein Gemisch aus Pulvern Zusammenarbeitendes Paar
Gleichstrom führender
elektrischer KontakteThe invention is based on the observation that the bridge transmission, which is associated with the cases without an arc, can be substantially eliminated by making the anode contact from a mixture of 20 to 70% silver, but preferably not more than 40%, 2 to 8% Nickel, but preferably about 5%, and the rest of gold. All percentages are based on weight. The material can be an alloy or a mixture of powders of the pair
Direct current leading
electrical contacts

Anmelder:Applicant:

Stackpole Carbon Company,
St. Marys, Pa. (V. St. A.)Stackpole Carbon Company,
St. Marys, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau,Representative: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 27,and Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, Munich 27,

Pienzenauerstr, 2, PatentanwältePienzenauerstr, 2, patent attorneys

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. März 1953Claimed priority:
V. St. v. America March 12, 1953

Ragnar Holm und Else M. K. Holm,Ragnar Holm and Else M. K. Holm,

St. Marys, Pa. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt wordenSt. Marys, Pa. (V. St. A.),
have been named as inventors

sein, das einem Druck unterworfen und gesintert worden ist. Von einer solchen Anode entsteht praktisch keine Übertragung, und da auch kein Transport von der Kathode auftritt, wenn kein Lichtbogen vorhanden ist, wird praktisch die gesamte Materialübertragung zwischen den Kontakten vermieden.which has been pressurized and sintered. From such an anode practically arises no transfer, and no transport from the cathode occurs when there is no arc practically all material transfer between the contacts is avoided.

Im Falle der Lichtbogenbildung zwischen sich öffnenden Kontakten treten verschiedene Arten der Materialübertragung auf. Solange der Lichtbogen sehr kurz ist, was bedeutet, daß seine Länge in der Größenordnung der Länge des Bereiches des Kathodenfalles (in der Spannung) bei ungefähr 10~* cm bleibt, wird die Anode mit schnellen Primärelektronen bombardiert, die eine vorherrschende; anodische Verdampfung und somit die Übertragung von Kontaktmaterial von der Anode zur Kathode erzeugen. Es wurde auch in einem solchen Falle gefunden, daß die Anode weniger überträgt, falls sie aus einem geeigneten Material gemäß der Erfindung hergestellt ist. Das bevorzugte Material für diesen Zweck ist die Gold-Silber-Nickel-Legierung oder Gemisch, wie sie bzw. es in dem vorigen Absatz erwähnt wurde. Der gleiche kurze Lichtbogen kann zünden, wenn sich die Kontakte schließen, aber seine Lebensdauer ist sehr kurz und seine Wirkung kann gewöhnlich vernachlässigt werden.In the event of arcing between opening contacts, different types of arcing occur Material transfer on. As long as the arc is very short, which means that its length is in the Order of magnitude of the length of the area of the cathode fall (in voltage) at about 10 ~ * cm remains, the anode is bombarded with fast primary electrons, which is a predominant one; anodic Generate evaporation and thus the transfer of contact material from the anode to the cathode. It has also been found in such a case that the anode transmits less if it is made of a suitable one Material according to the invention is made. The preferred material for this purpose is that Gold-silver-nickel alloy or mixture as mentioned in the previous paragraph. Of the the same short arc can strike when the contacts close, but its lifespan is very long short and its effect can usually be neglected.

Wenn jedoch ein kurzer Lichtbogen zwischen sich öffnenden Kontakten seine maximale Dauer erreichtHowever, when a short arc between opening contacts reaches its maximum duration

«09 5M/348«09 5M / 348

setzt werden. Es wurde gefunden, daß diese Kontaktmaterialien am zufriedenstellendsten arbeiten, wenn Blei gegenwärtig ist. Sonst ist der Anodenfalleflekt schwach.are set. These contact materials have been found to work most satisfactorily when Lead is present. Otherwise the anode trap is reflective weak.

Die größte Kadmiummenge, die der Kontakt enthalten sollte, ist ein Prozentsatz, der nicht bewirkt, daß der Kontakt zu stark oxydiert, da dies ein Paar zusammenarbeitende Kontakte gegeneinander bei den geringen Strömen isolieren würde, die in Spannungsund sich über den Kathodenbereich hinaus zu erweitern beginnt, kann der Materialtransport, den er von
der Anode bewirkt, irgendwelches Anodenmaterial beeinträchtigen. Glücklicherweise kann eine solche
Übertragung mehr oder weniger durch Transport des
Kontaktmaterials in der entgegengesetzten Richtung
ausgeglichen werden, was in dem folgenden längeren
Lichtbogen stattfindet. Genauer ausgedrückt, enthält
dieser längere Lichtbogen vor der Anode ein Plasma,
das ein in hohem Maße ionisierter Bereich ist, in dem 10 reglern und anderen Relais auftreten. In vielen Sondie Elektronen verlangsamt werden. Das Bombarde- derfallen sollte nicht mehr als etwa 5% Kadmium ment der Anode durch.i'diese langsamen Elektronen verwendet werden.The greatest amount of cadmium that the contact should contain is a percentage that does not cause the contact to over-oxidize, as this would isolate a pair of cooperating contacts from one another at the low currents which begin to expand in voltage and beyond the cathode area , can the material transport that he of
causes the anode to affect any anode material. Fortunately, one can
Transfer more or less by transporting the
Contact material in the opposite direction
be balanced out in the following longer
Arc takes place. More precisely, contains
this longer arc in front of the anode a plasma,
this is a highly ionized area where regulators and other relays occur. In many sondie electrons are slowed down. The bombardment should not be used more than about 5% cadmium ment of the anode through these slow electrons.

bewirkt nur geringe Verdampfung. Gleichzeitig hat Es ist jedoch nicht erforderlich, daß der Anodendas Bombardement der Kathode durch positive Ionen kontakt aus den im vorigen Absatz beschriebenen zur Folge, daß die Verdampfung der Kathode über- 15 Materialien hergestellt wird. Es reicht gewöhnlich wiegt, wodurch sich ein Materialtransport von der aus, den Kathodenkontakt aus einem solchen Material Kathode ergibt. Dieser Effekt kann das Material, das zu machen und die Anode aus einem Material, das von der Anode während'der früheren Stufe des Licht- einen Anodenfall nicht fördert. In einem solchen Falle bogens entfernt wurde, wieder zu dieser zurückbrin- kann eine Materialübertragung von der Kathode gen. Selbstverständlich, wird _ein Ausgleich nur ver- 20 während einer Anfangsreihe von Schaltvorgängen wirklicht, wenn das gleiche Volumen des Kontakt- überwiegen. Dies ergibt einen Niederschlag oder Anmaterials in beiden Richtungen bewegt wird. satz des den Anodenfall fördernden Materials auf dem In der Praxis ist es schwierig und gewöhnlich un- Anodenkontakt, und dieser Niederschlag sorgt, solange möglich, einen genauen Ausgleich der Übertragung er die Anode bedeckt, für den gewünschten Anodendurch die Wahl der Schaltung zu erreichen, im beson- 25 fall in derselben Weise, als ob die Anode aus dem abderen, wenn die Schaltung bei veränderlichen Strö- gesetzten Material hergestellt wäre. Es kann sein, daß men arbeiten muß. Doch gemäß der Erfindung kann dann der Ausgleich hergestellt wird. Wenn jedoch dei der Ausgleich beträchtlich durch die Verwendung ge- Niederschlag durch einen Transport, der durch den eigneter Kontaktmaterialien verbessert werden, wie Anodenfall umgekehrt wird, zu der Kathode zurüeknun erklärt wird. Diese Kontaktmaterialien, wenn sie 30 bewegt wird, würde eine solche Übertragung wieder als Anoden verwendet werden, fördern einen Anoden- unterbrochen werden, wenn das ursprüngliche Anodenfall (in der Spannung) in dem Lichtbogen zwischen material unbedeckt ist, so daß dann ein neuer Niedersich trennenden Kontakten, wenn der Strom eine be- schlag auf der Anode folgen würde. Auf diese Weise stimmte Grenze überschreitet, die für das verwendete wird, auf längere Zeit betrachtet, ein annehmbarer Ähodenmaterial kennzeichnend ist. Der Anodenfall 35 Ausgleich erhalten.causes little evaporation. At the same time, however, it is not necessary that the anode has the Bombardment of the cathode by positive ion contact from those described in the previous paragraph As a result, the cathode is vaporized over 15 materials. It is usually enough weighs, whereby a material transport from the out, the cathode contact made of such a material Cathode results. This effect can be the material that make and the anode of a material that of the anode during the earlier stage of the light does not promote an anode fall. In such a case If the arc has been removed, it can bring material transfer from the cathode back to it gen. Of course, compensation is only allowed during an initial series of switching operations Really when the same volume of the contact-predominate. This results in a precipitate or debris is moved in both directions. set of the material promoting the anode fall on the In practice it is difficult and usually un- anode contact, and this precipitation provides for so long possible to accurately balance the transfer he covers the anode, for the desired anode through to achieve the choice of the circuit, in particular in the same way as if the anode were made from the other, if the circuit were made with variable currents. It may be that men have to work. However, according to the invention, the compensation can then be established. However, if dei the compensation is considerable through the use of precipitation through a transport carried by the Appropriate contact materials can be improved, such as reversing the anode drop back to the cathode is explained. These contact materials, if moved, would such a transfer again Used as anodes encourage an anode to be interrupted when the original anode fall (in the tension) is uncovered in the arc between material, so that then a new low separating contacts, if the current would follow a fogging on the anode. In this way When viewed over a longer period of time, the correct limit for what is used exceeds an acceptable one Ähodenmaterial is characteristic. The anode case 35 received compensation.

beschleunigt die stromführenden Elektronen, so daß Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Kad-accelerates the current-carrying electrons, so that another advantage of using Kad-

sie die Anode mit hoher Geschwindigkeit bombardie- mium, Wismut, Antimon, Mangan oder Chrom inThey bombard the anode at high speed with bismuth, antimony, manganese or chromium

ren, woraus sich eine verminderte Übertragung von Kontakten besteht darin, daß das Material, das über-from which a reduced transfer of contacts is that the material

Kathodenmaterial zu der Anode und sogar in man- tragen wird, nicht bestrebt ist, sich in scharfen Spit-Cathode material is carried to the anode and even in man-

chen Fällen ein Anodenverlust ergibt. Das Auftreten 40 zen zu konzentrieren, welche die Arbeitsweise derIn some cases, anode loss results. The occurrence 40 zen to focus on showing the working of the

des Anodenfalles setzt der Vergrößerung des Material- Kontakte stören können, sondern sich über eine ver-the anode case increases the size of the material - contacts can interfere, but rather

transportes von der Kathode eine Grenze, wenn der hältnismäßig große Fläche ausbreitet.transportes from the cathode a limit when the relatively large area spreads.

Strom ansteigt. Andererseits bedeutet die Abschwä- Obgleich der Einfluß bestimmter Zusatzelemente inCurrent increases. On the other hand, the weakening means that although the influence of certain additional elements in

chung des Anodenfalles, wenn sich der Strom zu ver- elektrischen Kontaktmaterialien im Zusammenhangelimination of the anode case when the current is related to electrical contact materials

mindern beginnen würde, eine Verstärkung der Über- 45 mit dem Anodenfall erklärt wurde, wird nachdrück-would begin to diminish, an increase in the over- 45 was explained with the anode fall, is emphatically

tragung von der Kathode, die in diesem Falle Hch betont, daß die Erfindung nicht von der Genauig-transmission from the cathode, which in this case emphasizes that the invention does not depend on the accuracy

erf orderlich ist, um den Ausgleich zwischen den Trans- keit dieser Erklärung abhängt. Die Tatsache bleibtis required in order for the balance between the trans- tency of this declaration to depend. The fact remains

porten von der Anode und der Kathode beizube- bestehen, daß die betreffenden Kontaktmaterialien dieporting of the anode and the cathode to ensure that the relevant contact materials the

halten. Materialübertragung oder den Materialtransport vonkeep. Material transfer or material handling of

Da verschiedene Schajtungsbedingungen erfordern, 50 der Kathode zu der Anode vermindern oder sogarAs different Schajtungsbedingungen require, 50 of the cathode to the anode diminish or even

daß der Anodenfall bei verschiedenen Stromstärken umkehren, wirksam wird, ist es wichtig, eine Wahl von Kontaktmaterialien mit verschiedenen Stromgrenzen für den
Anodenfall zu haben.In order to reverse the anode fall at different amperages, it is important to make a choice of contact materials with different current limits for the
To have anode fall.

Ein Anodenkontakt, der aus 1 bis 10% Blei (bevor- 55 zugt ungefähr 2%) und im übrigen aus Silber oderAn anode contact made of 1 to 10% lead (preferably about 2%) and the rest of silver or

Claims

Claims: Another noble metal, such as gold, shows the anode fall effect at relatively high currents. The addition of cadmium to this material promotes the anode fall at a lower current. The largest amount of cadmium that the contact should contain in order not to over-oxidize is of the order of 30%, but in many special cases no more than about 5% cadmium should be used. 65 Instead of cadmium, other elements can also be added in approximately the same amounts. Bismuth, antimony, manganese and chromium have proven to be effective. Each of these substances or a mixture of two or more of these elements can draw

1. Working pair of direct current conducting electrical contacts that create an electric arc form when the contacts are separated from each other, and little material migration pointing from the cathode to the anode, characterized in that at least one of the Contacts are made of a material that increases the anode voltage drop in the arc, when the current exceeds a limit characteristic of the material used.

2. Cooperating pair of electrical contacts according to claim 1, characterized in that that the cathode contact consists of 1 to about 10% lead and the rest of silver.

3. Cooperating pair of electrical contacts according to claim 1, characterized that the material is a percentage of the

material which is selected from the group of elements in which cadmium, bismuth, antimony, Manganese and chromium are represented, and on the one hand this percentage is large enough for the Anode voltage drop in the arc increase when the intensity of the current exceeds the limit exceeds, and on the other hand this percentage is small enough to prevent the undesired generation to avoid oxide on the contact.

4. Cooperating pair of electrical contacts according to claim 1, characterized in that that the cathode contact is made of the material containing from 1 to about 10% lead, less than 30% of the material selected from the group of elements, the cadmium, Contains bismuth, antimony, manganese and chromium, and otherwise consists of precious metal.

5. Cooperating pair of electrical contacts according to claim 1, characterized in that that the cathode contact is made of the material containing from 1 to about 2% lead, 0.5 Contains up to 5% cadmium and the remainder silver.

6. Cooperating pair of electrical contacts according to claim 1, characterized in that that the cathode contact is formed from the material that is over 70% precious metal and between 1 and 10% lead and contains an element that reduces the anode voltage in the arc increased at a lower current than that reached through the cathode without this element would, and that the anode contact is made of a material that is essentially not increases the anode voltage drop in the relevant current range.

7. Cooperating pair of electrical contacts according to claim 1, characterized in that that the anode contact consists of about 5% nickel, 20 to 75% silver and the rest of gold and the Cathode contact is made of material that contains 1 to 10% lead, from 0 to 30% of the material that is chosen from the group of elements including cadmium, bismuth, antimony, manganese and chromium belong, and otherwise consists of precious metal, so that essentially no transfer of Contact material from the anode or cathode contact occurs if there is no arc or only one very short arc is formed and, if the arc becomes longer, that initially low transport of contact material from the anode to the cathode essentially through a low transfer of contact material from the cathode to the anode is compensated for.

Considered publications:

Swiss Patent No. 234 233;

Linckh: »The investigation of material migration with electrical contacts «in ETZ, 1951, pp. 79 to 83;

S ρ al ti: »The contact problem in telecommunications technology« in the bulletin d. Switzerland. Elektr. Verein, 1952, pp. 1069 to 1074, no. 26;

Kerl and Meyer: »The fine hike in contacts from alloys with superstructure "in Zeitschrift für Metallkunde, 1953, Vol. 44, pp. 22 to 26.