JP4878331B2

JP4878331B2 - 電気接点開閉部

Info

Publication number: JP4878331B2
Application number: JP2007126739A
Authority: JP
Inventors: 茂葛西
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-05-11
Also published as: JP2008282719A

Description

本発明は電磁リレーに関し、特に高容量負荷開閉を行うための電磁リレーの電気接点開閉部に関する。

従来の高容量負荷開閉を行うための電磁リレーでは、接点開閉時に接点消耗を引き起こすアークを短時間に消滅させるため、磁気吹消形接点開閉部が使用されている。

図６は、特許文献１に開示された従来の磁気吹消形接点開閉部の一例を示す。図６（ａ）は、それぞれ両面に接点を有する２つの可動接触子３９、４９をそれぞれ保持した２個の電磁アクチュエータの間に設置される固定接点端子ブロック３１の斜視図、図６（ｂ）は、その正面図である。この固定接点端子ブロック３１は、２組の固定接点端子５１、５２をプラスチック部材３２により一体成型しており、そのプラスチック部材３２の両側にマグネット部材４６を備えている。そのマグネット部材４６による磁力線３８、４８の方向は、固定接点端子５１、５２の接点３４、３５、４４、４５と可動接触子３９、４９の接点との間の空隙において両接点が対峙する方向に対して垂直になっている。

本構造において、負荷を遮断したとき固定接点端子の接点３５と可動接触子３９の片側の接点との間の空隙部、および固定接点端子の接点４５と可動接触子４９の片側の接点との間の空隙部にアーク３０、４０がそれぞれ発生すると、それらのアークは磁場方向およびアーク電流方向の双方に垂直な方向へローレンツ力を受け伸長する。したがって、この伸長によりアークの消滅が促進されるため、磁場が無い場合に比べ、遮断性能は向上する。このように磁気吹消形接点開閉部は、接点間空隙により決定される負荷電圧、電流の遮断性能を向上させるものである。ここで負荷とは具体的には直流負荷や交流負荷、およびモータ負荷等の電気信号である。

実開平５−３１０８２号公報

従来の磁気吹消形接点開閉部においては、次のような課題があった。第１に、接点部周囲に隣接する他部材への極度のア−ク飛散を防止するため、特定方向についてア−クが伸長する空間を確保する必要があった。そのため、デバイスの幾何学的寸法の設計において大きな制約が生じ、デバイス自体が大型化してしまい、逆に小型化を優先させた場合、遮断性能が低下してしまうという課題があった。第２に、遮断する負荷の電流の極性により、ア−クの伸長方向が決定されてしまうため、遮断性能が負荷の電流の極性によって制限されていた。

そこで本発明の課題は、アークの特定方向への飛散を制限し、デバイスの小型化が可能で、かつ負荷の極性による影響がなく、遮断特性の良好な磁気吹消形の電気接点開閉部を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の電気接点開閉部は、２つの固定接点構造体と、該２つの固定接点構造体を併置し保持する絶縁ホルダと、可動接点構造体と、前記固定接点構造体にそれぞれ接続された２つの固定導電端子とからなる電気接点開閉部において、前記固定接点構造体は、筒形状を有し該筒形状の一方の先端面を固定接点とし、他方の端部に突起部を有する固定接点端子と、円筒形状部分と底面部を有し、前記円筒形状部分の内部に前記固定接点端子を内包し、前記底面部に前記突起部に嵌合する穴を有する継鉄と、該継鉄の前記円筒形状部分の内面に配置される永久磁石と、前記固定接点端子の筒形状の内部に配置され前記継鉄の前記底面部の中央部に接合した略円柱状の補助継鉄とからなり、前記絶縁ホルダは、前記永久磁石と前記継鉄を配置するための略円柱形状の溝部を有し、前記固定接点端子の前記固定接点の周辺部分を空隙を介して内包し、前記固定導電端子は前記固定接点端子との間に前記継鉄の前記底面部を挟み込んで前記固定接点端子の突起部に嵌合する構造を有し、前記可動接点構造体は、前記固定接点と類似の断面形状を有する筒形状を有し前記固定接点と各々空隙を介して対向配置した２つの可動接点と、両端部に前記２つの可動接点が配置され中央部に嵌合穴が設けられた可動板と、該可動板に前記嵌合穴により接合され前記固定接点端子の筒形状の中心線に対して略平行方向へ変位する可動棒とを具備し、前記可動接点と前記固定接点の空隙領域において前記中心線に対して略垂直で、かつ前記中心線に向かう方向または、前記中心線から放射する方向の磁力線を発生させることを特徴とする。

ここで、前記永久磁石は扇形の断面形状を有する複数の永久磁石から構成されていてもよい。

また、前記固定接点は前記固定接点端子の他の部分とは異なる金属を前記固定接点端子の先端部に接合配置して形成しても良い。

上述のような構成により、本発明の電気接点開閉部では、可動接点と固定接点の相対峙する筒形状の先端が円輪状の場合、その円輪形状の接点接触部にアークが発生した場合、上記永久磁石と継鉄および補助継鉄により発生する磁場による磁力線でロ−レンツ力がアークに作用し、接点の上記円輪形状に沿ってアークが回転運動する。この回転運動は、アークを熱的に不安定にさせることから、アークの維持が困難となり、遮断性能が向上する。アークの運動は回転運動であるため、特定方向へアークが飛散せず、必要最低限のアーク飛散空間だけを確保するだけでよい。つまり、有効にデバイスの幾何学寸法を設計することができ、小型化が可能となる。

また、負荷の極性が変わった場合、アークの回転する方向が反転するだけであり、負荷極性に依存しない遮断特性となる。

また、可動接点と固定接点の円輪形接点接触部に作用する磁界の発生のために、永久磁石のみならず、継鉄および補助継鉄を設置していることから、磁場発生機構の小型化が可能となる。

さらに、固定接点端子の他の部分とは異なる材料の筒形状先端部を有した固定接点を、固定接点端子先端に配置し、可動接点と対向させることで、接点材料選択の幅が広がり、より高い遮断性能が実現可能となる。

以上のように、本発明によりアークの特定方向への飛散を制限し、デバイスの小型化が可能で、かつ負荷の極性による影響がなく、遮断特性の良好な磁気吹消形の電気接点開閉部が得られる。

次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電気接点開閉部の縦断面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。図３は、実施例１の部品別展開斜視図である。図４は実施例１における遮断時の負荷極性の一例を示す図である。図５は図４の点線部に示す１つの接点組におけるアーク挙動を説明した図である。以下、これらの図面に基づき説明する。

図１および図３において、本電気接点開閉部は、２つの固定接点構造体２１および２２と、固定接点構造体２１および２２を併置し保持する絶縁ホルダ６と、可動接点構造体２３と、前記固定接点構造体にそれぞれ接続された２つの固定導電端子１とからなり、固定接点構造体２１および２２は、それぞれ円筒形状を有しその円筒形状の一方の先端面を固定接点１０とし、他方の端部に突起部２５を有する固定接点端子２と、円筒形状部分６０と底面部６１を有し、円筒形状部分６０の内部に固定接点端子２を内包し、底面部６１に突起部２５に嵌合する穴６２を有する継鉄３と、継鉄３の円筒形状部分６０の内面に配置される永久磁石４と、固定接点端子２の円筒形状の内部に配置され継鉄３の底面部６１の中央部に接合した円柱状の補助継鉄９とからなっている。継鉄３および補助継鉄９は永久磁石４からの磁束を有効に接点部へ印加するために設置されている。また、永久磁石４は扇形の断面形状を有する複数の永久磁石からなっている。

絶縁ホルダ６は、略箱型形状で、底部に２つの固定接点端子２を配置するための貫通穴、および永久磁石４と継鉄３を配置するための円柱形状の溝部６３を有し、固定接点端子２の固定接点１０の周辺部分を空隙を介して内包するような形状であり、アークによる金属部材の損傷を防護する機能を持っている。

外部への信号取り出し用の固定導電端子１は固定接点端子２との間に継鉄３の底面部６１を挟み込んで固定接点端子２の突起部２５に嵌合する構造を有している。

可動接点構造体２３は、固定接点１０と類似の断面形状を有する円筒形状を有し固定接点１０と各々空隙を介して対向配置した２つの可動接点５と、両端部に２つの可動接点５が配置され中央部に嵌合穴７０が設けられた可動板７と、可動板７に嵌合穴７０により接合され固定接点端子２の円筒形状の中心線１００に対してほぼ平行に変位する可動棒８とを具備している。

永久磁石４は上述のように扇型断面形状を有し、継鉄３との接触面および、その反対面が着磁処理してある。絶縁ホルダ６の溝部６３に継鉄３とともに配置され、接点接触部に磁力線を与える。この永久磁石４による磁力線の方向は固定接点端子２の中心線１００側へ向かう方向、または固定接点端子２の中心線１００側から周囲へ放射状に広がる方向である。本実施例では永久磁石４は複数個に分割されているが、単一の円筒形磁石で形成しても同様な磁場が得られる。

補助継鉄９は、接点接触部の接点表面に効率よく磁力線が印加されるよう、上述のように一方が継鉄３と接合された状態で、固定接点端子２の内部に配置される。

固定導電端子１は、上述のように、継鉄３の底面を挟み込んで固定接点端子２の突起部に嵌合され、固定接点端子２とは機械的にかつ、電気的にも一体化してある。

可動板７は、上述のように両端部に２つの可動接点５が配置され、中央部で可動棒８と機械的に一体化されている。可動棒８は、磁気駆動型プランジャやエアプランジャ等の並進運動を行う一般的なアクチュエータに機械的に連結され、固定接点１０および固定接点端子２の中心線１００にほぼ平行な方向へ変位する。

次に、図２を基に、本実施例の電気接点開閉部で生ずる磁力線の方向、すなわち磁場方向について述べる。図２に示す磁場方向２６は、永久磁石４の継鉄３側の面がＳ極で、その反対側の固定接点１０側の面がＮ極の場合である。表面形状がほぼ円輪形である固定接点１０を、絶縁ホルダ６を介して内包するように永久磁石４が配置されていることから、生ずる磁力線は、固定接点１０の中心線１００に対して略垂直で、かつ中心線１００に向かう方向となっている。また、磁束密度分布は固定接点１０と可動接点５の接点間空隙においてほぼ均一な分布となっている。この磁場方向は一例であって、これに限定されるものではない。

次に、図３を基に、本実施例の電気接点開閉部を構成する各構成部材の詳細について述べる。絶縁ホルダ６は、セラミックのような高耐熱材を加工したものである。永久磁石４は、フェライト系磁石や希土類磁石等で形成されている。継鉄３および補助継鉄９は、電磁軟鉄等の磁性材である。固定導電端子１、固定接点端子２、可動接点５および可動板７は銅系材料である。

次に、図４、図５を基に本実施例の電気接点開閉部で発生するアークの挙動について説明する。磁力線の方向は、図２で説明した方向である。負荷電流の極性は、一方の固定接点側が正（＋）で、他方の固定接点側が負（−）である。したがって、負荷（＋）に接続された固定接点１０と対向する可動接点５は（−）となり、負荷（−）に接続された固定接点１０と対向する可動接点５は（＋）となる。それらの２組の接点組のうち、図４の点線部で示した接点組１０１についてアークの挙動を説明する。なお、負荷電流の極性および磁場方向は一例であって、これに限定されるものではない。

径方向に磁化された永久磁石４と継鉄３および補助継鉄９とによる磁場は、円輪状の接点空隙の全周に印加される。この磁場方向２６は、固定接点１０の中心線１００に対して垂直で、かつ中心線１００に向かう方向である。また、磁束密度分布は接点空隙において、ほぼ均一な分布となっている。このような円形終端型固定磁場中において、高負荷を遮断しアーク２７を発生させると、アーク２７はフレミングの左手の法則に従い、ローレンツ力を受けて円輪形状の接点接触部の表面を反時計回りに回転し始める。アーク２７自体は熱的に定常状態であるが、回転運動を始めると、その熱的定常状態が不安定となり、その維持が困難となる。したがって、磁場によりアーク２７が消滅しやすくなり遮断性能は向上する。なお、アーク２７が回転する方向は、アーク電流の極性および磁力線の向きによって決定される。

次に、本実施例１の電気接点開閉部の幾何学的寸法値の具体例について述べる。無論、これらは一例であって、これに限定するものではない。

絶縁ホルダ６は、長さが４０ｍｍ〜５０ｍｍ、幅が２５ｍｍ〜３５ｍｍ、高さが２５ｍｍ〜３５ｍｍ、固定接点端子２は、外径がΦ６ｍｍ〜１５ｍｍ、高さが１０ｍｍ〜１５ｍｍ、可動接点５の外径はΦ４ｍｍ〜１０ｍｍ、永久磁石４は外径がΦ１５ｍｍ〜２０ｍｍ、内径がΦ１４ｍｍ〜１９ｍｍ、高さが８ｍｍ〜１２ｍｍ、継鉄３の外径はΦ１６ｍｍ〜２２ｍｍ、内径がΦ１５ｍｍ〜２０ｍｍ、高さが８ｍｍ〜１２ｍｍ、補助継鉄９の外形はΦ３ｍｍ〜５ｍｍ、高さは１２ｍｍ〜１５ｍｍ、固定導電端子１の外径はΦ１０ｍｍ〜１５ｍｍ、高さが５ｍｍ〜７ｍｍ、可動板７は長さが２５ｍｍ〜３５ｍｍ、幅が８ｍｍ〜１２ｍｍ、厚みが１ｍｍ〜２ｍｍである。

このような幾何学的寸法値の電気接点開閉部について磁束密度および遮断特性を大気中で測定した。磁束密度は固定接点２の表面中央で３００Ｇｓ〜６００Ｇｓ程度であった。また、遮断特性は、固定接点と可動接点との空隙が０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の場合において、直流抵抗負荷３００Ｖｄｃ-５０Ａまで遮断が可能であることを確認できた。

次に、本発明による電気接点開閉部の実施例２について説明する。本発明の実施例１では、固定接点端子２の一方の端面が固定接点１０の機能を有していた。しかし、実施例２では、固定接点端子２の筒形状の先端部の固定接点１０は他の部分とは異なる材料で形成し、可動接点５と対向させた。例えば、タングステン等のように、より高融点の金属や、より硬度の大きい金属を先端部に接合して固定接点として用いることができる。これにより、固定接点材料選択の幅が広がり、より高い遮断性能が実現可能となる。

以上のように、上記実施例ではアークの特定方向への飛散を制限し、デバイスの小型化が可能で、かつ負荷の極性による影響がなく、遮断特性の良好な磁気吹消形の電気接点開閉部が得られる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、用途や必要とされる機能、性能に応じて設計変更が可能である。例えば、固定接点端子の筒形状は円筒形状である必要はなく多角形の筒状でもよく、固定接点端子、永久磁石、継鉄、補助継鉄、可動接点、可動板、絶縁ホルダの形状や寸法、固定接点端子の突起部の形状やその個数なども目的に合わせて変更可能である。

本発明の実施例１に係る電気接点開閉部の縦断面図。図１におけるＡ−Ａ断面図。実施例１の部品別展開斜視図。実施例１における遮断時の負荷極性の一例を示す図。図４の点線部に示す１つの接点組におけるアーク挙動を説明した図。従来の磁気吹消形接点開閉部の一例を示す図、図６（ａ）はそれに使用される固定接触子端子ブロックの斜視図、図６（ｂ）はその正面図。

符号の説明

１固定導電端子
２固定接点端子
３継鉄
４永久磁石
５可動接点
６絶縁ホルダ
７可動板
８可動棒
９補助継鉄
１０固定接点
２１、２２固定接点構造体
２３可動接点構造体
２５突起部
２６磁場方向
６０円筒形状部分
６１底面部
６２穴
６３溝部
７０嵌合穴
１００中心線
１０１接点組
２７、３０，４０アーク
３１固定接触子端子ブロック
３２プラスチック部材
３４、３５、４４、４５接点
３８、４８磁力線
３９、４９可動接触子
４６マグネット部材
５１、５２固定接点端子

Claims

２つの固定接点構造体と、該２つの固定接点構造体を併置し保持する絶縁ホルダと、可動接点構造体と、前記固定接点構造体にそれぞれ接続された２つの固定導電端子とからなる電気接点開閉部において、
前記固定接点構造体は、筒形状を有し該筒形状の一方の先端面を固定接点とし、他方の端部に突起部を有する固定接点端子と、円筒形状部分と底面部を有し、前記円筒形状部分の内部に前記固定接点端子を内包し、前記底面部に前記突起部に嵌合する穴を有する継鉄と、該継鉄の前記円筒形状部分の内面に配置される永久磁石と、前記固定接点端子の筒形状の内部に配置され前記継鉄の前記底面部の中央部に接合した略円柱状の補助継鉄とからなり、前記絶縁ホルダは、前記永久磁石と前記継鉄を配置するための略円柱形状の溝部を有し、前記固定接点端子の前記固定接点の周辺部分を空隙を介して内包し、前記固定導電端子は前記固定接点端子との間に前記継鉄の前記底面部を挟み込んで前記固定接点端子の突起部に嵌合する構造を有し、前記可動接点構造体は、前記固定接点と類似の断面形状を有する筒形状を有し前記固定接点と各々空隙を介して対向配置した２つの可動接点と、両端部に前記２つの可動接点が配置され中央部に嵌合穴が設けられた可動板と、該可動板に前記嵌合穴により接合され前記固定接点端子の筒形状の中心線に対して略平行方向へ変位する可動棒とを具備し、前記可動接点と前記固定接点の空隙領域において前記中心線に対して略垂直で、かつ前記中心線に向かう方向または、前記中心線から放射する方向の磁力線を発生させることを特徴とする電気接点開閉部。
前記永久磁石は扇形の断面形状を有する複数の永久磁石からなることを特徴とする請求項１記載の電気接点開閉部。
前記固定接点は前記固定接点端子の他の部分とは異なる金属を前記固定接点端子の先端部に接合配置してなることを特徴とする請求項１または２記載の電気接点開閉部。