DE19820134A1

DE19820134A1 - Varistor auf der Basis eines Metalloxids und Verfahren zur Herstellung eines solchen Varistors

Info

Publication number: DE19820134A1
Application number: DE19820134A
Authority: DE
Inventors: Felix Greuter; Michael Hagemeister; Wolfgang Kluge
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1998-05-06
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 1999-11-11
Also published as: US6346872B1; DE59911675D1; ATE290251T1; ES2239437T3; US6199268B1; EP0955644B1; EP0955644A2; EP0955644A3

Abstract

Der Varistor weist einen zylinderförmigen Widerstandskörper (1) aus einem Werkstoff auf der Basis von Metalloxid auf sowie zwei jeweils auf einer von zwei parallel zueinander ausgerichteten Stirnflächen des zylinderförmigen Widerstandskörpers (1) angeordnete Elektroden (2, 3). In einer ersten Ausführungsform sind beide Elektroden (2, 3) bis auf mindestens 500 mum und bis auf höchstens 10 mum an den als Kante ausgebildeten Außenrand der zugeordneten Stirnfläche geführt. In einer zweiten Ausführungsform weist der Widerstandskörper (1) zwei jeweils von einer seiner beiden Stirnflächen auf seine Mantelfläche (8) geführte konische Abschrägungen (5, 7) auf. Weitere Ausführungsformen, beispielsweise mit einer Abschrägung (5) und mit einem elektrodenfreien Rand (9'), sind möglich. DOLLAR A Der Varistor kann in einfacher und wirtschaftlicher Weise gefertigt werden. In einem elektrischen Feld vorgegebener Größe kann er mit hochenergetischen Stromimpulsen belastet werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Varistor nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Varistors.

Ein derartiger Varistor wird in Mittel- oder Hochspannungsanlagen für Mess-, Schutz- oder Steueraufgaben eingesetzt. Er weist einen zwischen zwei parallel ausgerichteten Elektroden angeordneten, zylinderförmigen Widerstandskörper aus einer Sinterkeramik oder einem mit einem keramischen Sintergranulat mit Varistorverhalten hochgefüllten Polymer auf. Die Sinterkeramik resp. das keramische Sintergranulat besteht im allgemeinen aus einem gezielt mit ausgewählten Metallen, wie Bi, Sb, Co und Mn, dotierten Zinkoxid.

Der Varistor wird bevorzugt in Überspannungsableitern verwendet und muss so spezifiziert sein, dass er durch Blitzeinschläge oder Schalthandlungen entstehende hochenergetische Stromimpulse schadlos führen kann. Solche Stromimpulse werden im Zuge des Fertigungsprozesses an die Elektroden des Varistors gelegt, um deren Hochstromfestigkeit zu überprüfen.

STAND DER TECHNIK

Varistoren der eingangs genannten Art sind in EP 0 494 507 A1 angegeben. Die Varistoren weisen jeweils einen zylinderförmigen, keramischen Widerstandskörper auf der Basis von dotiertem Zinkoxid auf. Die beiden zueinander parallelen, ebenen Stirnflächen des Widerstandskörpers tragen jeweils eine Elektrode.

In einer ersten Ausführungsform der Varistoren bedecken die Elektroden bis auf einen im allgemeinen mehrere Millimeter breiten, keisringförmigen Rand die Stirnflächen des Widerstandskörper. Wegen der unvollständigen Elektrodenüberdeckung entstehen im Widerstandskörper lokale Überhöhungen der Stromdichte resp. des elektrischen Feldes, welche die Spannungsfestigkeit eines derart ausgeführten Varistors herabsetzen.

In einer zweiten Ausführungsform sind die Elektroden jeweils bis an den Rand des Widerstandskörpers geführt. Da sich bei einem solchen Varistor jede der beiden Elektroden über die gesamte Stirnfläche des Widerstandskörpers erstreckt, bildet sich beim kurzzeitigen Führen eines grossen Stromes in seinem Inneren ein homogenes elektrisches Feld aus. Hierdurch werden eine gleichmässige Stromdichte und somit auch eine gleichmässige Aufheizung des Varistors erreicht. Da der ungeschützte Widerstandskörper im Bereich der Aussenränder der Stirnflächen Kanten und Spitzen aufweist, und da das an die Aussenränder geführte Elektrodenmaterial in die Mantelfläche des Widerstandkörpers gelangen kann, ist auf der Mantelfläche des Widerstandskörpers ein Ring aus einem Polymer mit hoher Dielektrizitätskonstante und mit hoher Temperaturbeständigkeit positioniert. Dieser Ring sorgt dafür, dass das elektrische Feld in der Mantelfläche herabgesetzt wird und so unerwünschte Überschläge vermieden werden. Ein solcher Varistor ist relativ kostspielig und aufwendig.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Varistor der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich trotz eines hervorragenden Energieaufnahmevermögens durch einen einfachen Aufbau auszeichnet, und zugleich ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung dieses Varistors in rascher und wirtschaftlicher Weise ermöglicht.

Der erfindungsgemässe Varistor zeichnet sich dadurch aus, dass er in einem für eine Serienfertigung geeigneten Verfahren rasch und wirtschaftlich gefertigt werden, und dass er gegenüber einem vergleichbar bemessenen und ebenfalls mit geringem Aufwand hergestellten Varistor nach dem Stand der Technik ein erheblich grösseres Energieaufnahmevermögen und eine höhere Hochstromfestigkeit aufweist.

Dies ist zum einen dadurch bedingt, dass durch möglichst nahe an den als Kante ausgebildeten Aussenrand der Stirnflächen geführte Elektroden Inhomogenitäten im elektrischen Feld und in der Stromdichte im Varistor beim Auftreten eines hochenergetischen Stromimpulses weitgehend vermieden werden. Solche Inhomogenitäten können durch metallisierte Kantendefekte oder durch Metallspritzer hervorgerufen werden, welche über die Kante hinaustreten. Durch einen schmalen elektrodenfreien Rand bzw. durch eine Abschrägung wird zwar der ideale, homogene Zustand mit an die Kanten geführten Elektroden geringfügig gestört, aber die grossen Inhomogenitäten (metallisierte Randdefekte, welche zum Versagen führen) werden effizient eliminiert.

Zum anderen ist dies auch eine Folge einer geeigneten Ausbildung der hohen dielektrischen Belastungen ausgesetzten Oberfläche des Varistors zwischen den beiden Elektroden. Diese Oberfläche kann in einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Varistors seine zylinderförmige Mantelfläche und zwei sich daran anschliessende, weniger als 500 µm breite kreisringförmige Abschnitte seiner Stirnflächen umfassen. In einer bevorzugten zweiten Ausführungsform enthält die Oberfläche unmittelbar bis zum Rand der Elektroden geführte Abschrägungen, die in die zylinderförmige Mantelfläche des Varistors übergehen.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Varistor nach der Erfindung in einfacher und wirtschaftlicher Weise ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
Auf jede der beiden Stirnflächen seines Widerstandskörpers wird eine bis an deren Aussenrand geführte Schicht aus Elektrodenmaterial aufgebracht, und es wird entweder ein vom Aussenrand begrenzter und bis auf die Stirnfläche des Widerstandskörpers geführter Kreisring von ca. 10 bis ca. 500 µm Breite aus der Schicht entfernt, oder es werden der Widerstandskörper und gegebenenfalls auch die Schicht aus Elektrodenmaterial am Aussenrand abgeschrägt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch einen Teil eines Varistors nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch einen Teil einer ersten Ausführungsform des Varistors nach der Erfindung während seiner Fertigung, und

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch einen Teil einer zweiten Ausführungsform des Varistors nach der Erfindung während seiner Fertigung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleichwirkende Teile. Das Bezugszeichen 1 bezieht sich auf einen Widerstandskörper aus einer Varistorverhalten aufweisenden, zum Stand der Technik zählenden Keramik, die wie folgt hergestellt wurde:
Ca. 97 Mol% Zn, ca. 0,5 Mol% Bi₂O₃, ca. 1,0 Mol% Sb₂O₃, ca. 0,5 Mol% Co₂O₃, ca. 0,5 Mol% MnO₂, ca. 0,5 Mol% Cr₂O₃ und weitere Metalloxidzusätze wurden in einer Kugelmühle gemischt und zu einer homogenen Pulvermischung mit Partikeldurchmessern zwischen ca. 1 und ca. 5 µm gemahlen. Die Pulvermischung wurde in destilliertem Wasser aufgeschlämmt. Die Aufschlämmung wurde in einem Sprühtrockner in ein rieselfähiges, trockenes Granulat übergeführt. Die durchschnittliche Grösse der dabei erzeugten Körner lag bei ca. 100 µm. Aus dem Granulat wurden zylinderförmige Presskörper geformt, aus denen bei einer Temperatur von ca. 1200°C während ca. 2 h zylinderscheibenförmige Widerstandskörpern von ca. 38 mm Durchmesser und ca. 20 mm Länge gesintert wurden.

Auf den Stirnseiten des Widerstandskörpers 1 sind Elektroden 2 und 3 aus Elektrodenmaterial, wie insbesondere Aluminium, angeordnet. Zur Herstellung der Elektroden 2 und 3 wird auf jede der beiden Stirnflächen zunächst eine bis an den Aussenrand 9 der Stirnfläche geführte Schicht aus Elektrodenmaterial aufgebracht (Fig. 1). Mit Vorteil wird das Elektrodenmaterial etwa durch Flammspritzen oder durch Lichtbogenauftrag aufgesprüht. Es entstehen so verhältnismässig poröse Schichten von typischerweise ca. 50-150 µm Dicke. Es wurden zwanzig derart ausgebildete Varistoren hergestellt. Von diesen zwanzig wurden acht unverändert beibehalten und dienten in nachfolgend beschriebenen Versuchen zu Vergleichszwecken.

Von den verbleibenden zwölf Varistoren wurden sechs entsprechend, der Ausführungsform nach Fig. 2 modifiziert. Zu diesem Zweck wurde ein vom Aussenrand 9 begrenzter und bis auf die Stirnfläche des Widerstandskörpers geführter Kreisring 4 mit einer Dicke d aus der Schicht entfernt (in Fig. 2 bei der Elektrode 3 gestrichelt dargestellt). Weitere sechs Varistoren wurden entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 3 modifiziert. Bei dieser Ausführungsform wurden der Widerstandskörper 1 und die Schicht aus Elektrodenmaterial am Aussenrand abgeschrägt. Es entstand so eine konische Mantelfläche 5, welche mit der Stirnfläche einen stumpfen Winkel von vorzugsweise 100° bis 120°, gegebenenfalls bis zu 150° bildet. Das Entfernen des Kreisrings 4 oder das Abschrägen wird mit Vorteil durch Schneiden mit einem vorzugsweise mit einem abrasiven Pulver beladenen Gas- oder Flüssigkeitsstrahl 6 ausgeführt.

Zum Entfernen des Kreisrings 4 wird der Gas- oder Flüssigkeitsstrahl 6 schräg von oben auf die Elektrode, beispielsweise 2, geführt. Es kann so in einfacher Weise ein Kreisring mit geringer Dicke d im Bereich der Stirnfläche entfernt werden. Das Entfernen des Kreisringes wird nach dem Auftragen der Elektroden ausgeführt. Ein poröses Elektrodenmaterial kann besonders wirksam vom Gas- oder Flüssigkeitsstrahl 6 angegriffen und - ohne dielektrisch unerwünschte Löcher oder Risse zu hinterlassen - entfernt werden. Um dielektrisch gute Eigenschaften einhalten zu können, sollte der Kreisring höchstens 500 µm, vorzugsweise höchstens 300 µm, vom Aussenrand 9 der das Elektrodenmaterial tragenden Stirnfläche entfernt sein. Mit einem geringen Abstand von mindestens 10 µm, vorzugsweise mindestens 20 µm, ist sichergestellt, dass Inhomogenitäten der Elektroden bzw. Elektrodenmaterialabtrag die dielektrische Festigkeit des Varistors nicht herabsetzen können.

Beim Abschrägen wird der Gas- oder Flüssigkeitsstrahl 6 schräg von unten an den Widerstandskörper 1 und die Elektrode, beispielsweise 2, geführt. Es ist dann sichergestellt, dass das abgeschrägte Elektrodenmaterial nicht an die konische Mantelfläche 5 gelangen kann und die dielektrischen Eigenschaften des Varistors beeinträchtigt. Anstelle einen Gas- oder Flüssigkeitsstrahl 6 zu benutzen, kann die die Abschrägung auch durch Abschleifen erzeugt werden.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, weist der Varistor neben der konisch abgeschrägten Mantelfläche 5 noch eine weitere abgeschrägte Mantelfläche 7 auf. Beide abgeschrägte Mantelflächen 5, 7 grenzen an die zylindrische Mantelfläche 8 des Widerstandskörpers 1 an. Es ist aber auch denkbar, dass lediglich eine konische Abschrägung, beispielsweise die konische Mantelfläche 5, vorgesehen ist. Die in Fig. 3 nach unten weisende Seite des Varistors (Elektrode 3) ist dann wie die nach unten weisende Seite des Varistors gemäss Fig. 2 ausgebildet und weist einen als Kante 9' ausgebildeten Aussenrand auf, von dem die Elektrode 3 einen Abstand von höchstens 500 µm und mindestens 10 µm aufweist (in Fig. 3 gestrichelt gezeichnet).

In einer Prüfvorrichtung wurden die zwanzig Varistoren jeweils mit mehren annähernd rechteckigen Stromimpulsen von 2 ms Dauer und mit einer Amplitude von mehreren 100 A belastet. Danach wurden die Probewiderstände durch Augenschein begutachtet. Hierbei wurde festgestellt, dass von den acht Varistoren gemäss Fig. 1 die Hälfte einen Defekt erlitten hatten, wohingegen die gemäss den Fig. 2 und 3 ausgeführten Varistoren vollauf funktionsfähig geblieben waren.

Bezugszeichenliste

1

Widerstandskörper

2

,

3

Elektroden

4

Kreisring

5

,

7

Abschrägungen, konische Mantelflächen

6

Gas- oder Flüssigkeitsstrahl

8

Mantelfläche

9

Aussenrand

Claims

1. Varistor, der in einem elektrischen Feld vorgegebener Grösse mit mindestens einem hochenergetischen Stromimpuls definierter Amplitude, Form und Dauer belastbar ist, und der einen zylinderförmigen Widerstandskörper (1) aus einem Werkstoff auf der Basis von Metalloxid aufweist sowie zwei jeweils auf einer von zwei parallel zueinander ausgerichteten Stirnflächen des zylinderförmigen Widerstandskörpers (1) angeordnete Elektroden (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass entweder beide Elektroden (2, 3) bis auf mindestens 500 µm und bis auf höchstens 10 µm an den als Kante ausgebildeten Aussenrand (9) der zugeordneten Stirnfläche geführt sind, und/oder dass der Widerstandskörper (1) zwei jeweils von einer seiner beiden Stirnflächen auf seine Mantelfläche (8) geführte konische Abschrägungen (5, 7) aufweist, oder dass eine erste (3) beider Elektroden (2, 3) bis auf mindestens 500 µm und bis auf höchstens 10 µm an den als Kante ausgebildeten Aussenrand (9') einer zugeordneten ersten Stirnfläche geführt ist, und der Widerstandskörper (1) eine von der zweiten Stirnfläche auf seine Mantelfläche (8) geführte konische Abschrägung (5) aufweist.

2. Varistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Abschrägung (5, 7) mit der zugeordneten Stirnfläche einen stumpfen Winkel bildet.

3. Varistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel 100° bis 150°, vorzugsweise bis 100° bis 120° beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung des Varistors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf jede der beiden Stirnflächen eine bis an deren als Kante ausgebildeten Aussenrand (9) geführte Schicht aus Elektrodenmaterial aufgebracht wird, und dass anschliessend entweder ein vom Aussenrand (9) begrenzter und bis auf die Stirnfläche des Widerstandskörpers (1) geführter Kreisring (4) mit einer Breite von ca. 10 bis ca. 500 µm aus der Schicht entfernt wird, und/oder dass der Widerstandskörper (1) am Aussenrand (9) abgeschrägt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Kreisrings (4) oder das Abschrägen durch Schneiden mit einem gegebenenfalls mit einem abrasiven Pulver beladenen Gas- oder Flüssigkeitsstrahl (6) ausgeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschrägen durch Abschleifen ausgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial aufgesprüht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisring (4) und/oder die Abschrägungen (5, 7) nach dem Aufbringen des Materials für die Elektroden (2, 3) gebildet werden.