Projekt R.A.V.E.-K.: Lichtbogeninduzierte thermo-...
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100% 130% Zusammenfassung: Die fortschreitende Miniaturisierung im Relais- und Schützbereich führt zu wachsenden Energiedichten beim Schalten und Leiten von Strömen. Die hierbei auftretenden Lichtbogenenergien induzieren thermo-mechanische Spannungen, die aufgrund von resultierenden Delaminationseffekten in der Verbundzone zu einer signifikanten Reduzierung der bislang durch Lichtbogenerosion bestimmten Lebensdauer der silberhaltigen Kontaktauflage und damit des Relais bzw. Schütz führt. Das Verständnis zur Entstehung, Wirkung und Minimierung der thermomechanischen Spannung im Verbundwerkstoff ist Grundvoraussetzung zur Erhöhung der Lebensdauer und damit einer Reduzierung von Silber. Die Entstehung und die Größenordnung von Spannungen im Materialverbund wurden mittels FEM-Simulation plausibel visualisiert. Dies ermöglichte Rückschlüsse zur Modifizierung des eingesetzten Herstellverfahrens. Im Vergleich mit konventionell hergestellten Kontaktverbundwerkstoffen, konnte gezeigt werden, dass das modifizierte Verfahren hinsichtlich Performance und Silbereinspar- potential überlegen ist. Projekt R.A.V.E.-K.: Lichtbogeninduzierte thermo- mechanische Spannungen in elektrischen Kontakt- werkstoffen Optimiert heißplattierter Kontakt- werkstoffverbund nach Schaltbelastung (plus-Technologie) Im Verbund ist eine Delamination an der Grenz- fläche Silber/Lot feststellbar. Die Haftfestigkeit entspricht jener von verbundstranggepressten Kontaktauflagen bei reduzierter Silberschichtdicke. Kontaktwerkstoff Ag/SnO 2 Träger: Kupferplattierter Stahlkern Lötbare Silberzwischenschicht Lot Parameter Wert Durchmesser Lichtbogenfußpunkt 1.25 mm Lichtbogenleistung 1 kW Lichtbogendauer 2.5 ms Randbedingungen für die Simulation, der Energieeintrag wird im rot markierten Bereich simuliert Netzgenerierung, Temperatur- und Spannungsverteilung beim Schaltvorgang Entwicklung von s 33 über 20 Schaltzyklen Spannungsimpuls und Zeitpunkt der Messung Schaltzyklus Parameter Wert Spannung U 400 V Strom I 324 A Phasenwinkel cosφ 1 Schaltzyklus 250 1/h Anzahl Schaltzyklen 120,000 Conventionally Cladded Sintered Contact L1 L2 L3 L1 L2 L3 avg. bounce arc energy W make [Ws] 3.3 8.4 4.4 4.4 5.5 3.0 avg. break arc energy W break [Ws] 12.5 16.1 16.1 12.5 9.7 15.5 Co-Extruded Advanced Cladded L1 L2 L3 L1 L2 L3 avg. bounce arc energy W make [Ws] 2.8 10.4 5.6 2.7 10.5 6.5 avg. break arc energy W break [Ws] 12.9 13.7 17.9 19.3 10.4 15.9 bounce t AC make dt t i U W ) ( V t t AC break dt t i U W 100 1 ) ( 2 Randbedingungen der Schaltversuche PTJ/BMBF, #03X3586A 100% 130% 185% 155% 0% 50% 100% 150% 200% 250% bisheriges Standardmaterial im Schütz + verbesserte Verbundqualität + verbesserte Verbundqualität + Materialänderung + verbesserte Verbundqualität + Materialänderung => Volumenreduktion (Höhe) elektrische Lebensdauer bzgl. des Ausgangsmaterials [%] Materialverlust durch Lichtbogenerosion in Abhängigkeit von der Ausschaltenergie Lichtbogenenergien beim Ein-/Ausschalten Der durch Lichtbogenerosion bedingte Abbrand liegt für die verglichenen Herstellverfahren auf dem gleichen Niveau Lebensdauerentwicklung und Silbereinsparung in Abhängigkeit von Werkstoffverbund und -zusammensetzung -9 % Silber Konventionell heißplattierter Kontakt- werkstoffverbund nach Schaltbelastung Der Kontaktwerkstoff delaminiert von der lötbaren Silberzwischenschicht. Kontaktwerkstoff Ag/SnO 2 Träger: Kupferplattierter Stahlkern Lötbare Silberzwischenschicht Lot Lichtbogenerosion in Abhängigkeit vom Oxidgehalt des Kontaktwerkstoffes 12 % 12 % 14 % 14 % Ausblick: Bislang konnten für Schützanwendungen Silbereinsparungen von 9 % erfolgreich realisiert und getestet werden. Das optimierte Fügeverfahren zeigt bei gleichzeitiger Erhöhung des Oxidgehaltes Potential zu einer weiteren Reduzierung des Gesamtsilbergehaltes. Im Labor konnten so bereits bis zu 35 Vol.% Silbereinsparung in Kontaktauflagen realisiert werden. Diese Varianten werden bis zum Abschluss von Projekt R.A.V.E.-K. bei SIEMENS getestet und abschließend bewertet. Bei positiver Beurteilung sollen das neue Herstellverfahren und die silberreduzierten Kontaktwerkstoffe bei umicore TM industrialisiert werden.
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100% 130%
Zusammenfassung:Die fortschreitende Miniaturisierung im Relais- und Schützbereich führt zu wachsenden Energiedichten beim Schalten und Leiten von Strömen. Die hierbeiauftretenden Lichtbogenenergien induzieren thermo-mechanische Spannungen, die aufgrund von resultierenden Delaminationseffekten in der Verbundzone zueiner signifikanten Reduzierung der bislang durch Lichtbogenerosion bestimmten Lebensdauer der silberhaltigen Kontaktauflage und damit des Relais bzw.Schütz führt. Das Verständnis zur Entstehung, Wirkung und Minimierung der thermomechanischen Spannung im Verbundwerkstoff ist Grundvoraussetzung zurErhöhung der Lebensdauer und damit einer Reduzierung von Silber. Die Entstehung und die Größenordnung von Spannungen im Materialverbund wurdenmittels FEM-Simulation plausibel visualisiert. Dies ermöglichte Rückschlüsse zur Modifizierung des eingesetzten Herstellverfahrens. Im Vergleich mitkonventionell hergestellten Kontaktverbundwerkstoffen, konnte gezeigt werden, dass das modifizierte Verfahren hinsichtlich Performance und Silbereinspar-potential überlegen ist.
Projekt R.A.V.E.-K.: Lichtbogeninduzierte thermo-mechanische Spannungen in elektrischen Kontakt-werkstoffen
Optimiert heißplattierter Kontakt-werkstoffverbund nach Schaltbelastung(plus-Technologie)
Im Verbund ist eine Delamination an der Grenz-fläche Silber/Lot feststellbar. Die Haftfestigkeit entspricht jener von verbundstranggepressten Kontaktauflagen bei reduzierter Silberschichtdicke.
Kontaktwerkstoff Ag/SnO2
Träger: Kupferplattierter Stahlkern
Lötbare SilberzwischenschichtLot
Parameter Wert
Durchmesser Lichtbogenfußpunkt 1.25 mm
Lichtbogenleistung 1 kW
Lichtbogendauer 2.5 ms
Randbedingungen für die Simulation, der Energieeintrag wird im rot markierten Bereich simuliert
Netzgenerierung, Temperatur- und Spannungsverteilung beim Schaltvorgang
Entwicklung von s33 über 20 Schaltzyklen Spannungsimpuls und Zeitpunkt der Messung
Schaltzyklus
Parameter Wert
Spannung U 400 V
Strom I 324 A
Phasenwinkel cosφ 1
Schaltzyklus 250 1/h
Anzahl Schaltzyklen 120,000
Conventionally Cladded Sintered Contact
L1 L2 L3 L1 L2 L3
avg. bounce arc energy Wmake [Ws] 3.3 8.4 4.4 4.4 5.5 3.0
avg. break arc energy Wbreak [Ws] 12.5 16.1 16.1 12.5 9.7 15.5
Co-Extruded Advanced Cladded
L1 L2 L3 L1 L2 L3
avg. bounce arc energy Wmake [Ws] 2.8 10.4 5.6 2.7 10.5 6.5
avg. break arc energy Wbreak [Ws] 12.9 13.7 17.9 19.3 10.4 15.9
bouncet
ACmake dttiUW )(
Vt
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ACbreak dttiUW100
1
)(2
Randbedingungen der Schaltversuche
PTJ/BMBF, #03X3586A
100%
130%
185%
155%
0%
50%
100%
150%
200%
250%
bisheriges Standardmaterialim Schütz
+ verbesserteVerbundqualität
+ verbesserteVerbundqualität
+ Materialänderung
+ verbesserteVerbundqualität
+ Materialänderung=> Volumenreduktion (Höhe)
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Materialverlust durch Lichtbogenerosion in Abhängigkeit von der Ausschaltenergie
Lichtbogenenergien beim Ein-/Ausschalten
Der durch Lichtbogenerosion bedingte Abbrand liegt für die verglichenen Herstellverfahren auf dem gleichen Niveau
Lebensdauerentwicklung und Silbereinsparung in Abhängigkeit von Werkstoffverbund und -zusammensetzung
-9 % Silber
Konventionell heißplattierter Kontakt-werkstoffverbund nach Schaltbelastung
Der Kontaktwerkstoff delaminiert von der lötbaren Silberzwischenschicht.
Kontaktwerkstoff Ag/SnO2
Träger: Kupferplattierter Stahlkern
Lötbare SilberzwischenschichtLot
Lichtbogenerosion in Abhängigkeit vom Oxidgehalt des Kontaktwerkstoffes
12
%
12
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14
%
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Ausblick:Bislang konnten für Schützanwendungen Silbereinsparungen von 9 % erfolgreich realisiert und getestetwerden. Das optimierte Fügeverfahren zeigt bei gleichzeitiger Erhöhung des Oxidgehaltes Potential zueiner weiteren Reduzierung des Gesamtsilbergehaltes. Im Labor konnten so bereits bis zu 35 Vol.%Silbereinsparung in Kontaktauflagen realisiert werden. Diese Varianten werden bis zum Abschluss vonProjekt R.A.V.E.-K. bei SIEMENS getestet und abschließend bewertet. Bei positiver Beurteilung sollen dasneue Herstellverfahren und die silberreduzierten Kontaktwerkstoffe bei umicore TM industrialisiertwerden.
