JP2010177164A - 消弧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】閉状態のリレーに対する影響を軽微としつつ、可動接触子が固定接触子から開離する際に発生するアークを速やかに消滅させることが可能な消弧装置を提供する。
【解決手段】消弧装置は、鉄芯６と鉄芯に巻回された消弧用コイル７とを有する電磁石５を備える。電磁石５は、消弧用コイル７に電流が流れたときに可動接触子３の移動方向に対して直角方向の磁界を発生させる。リレーが閉状態である間は、消弧用コイル７に電流を流さないことによって、可動接触子３を固定接触子１，２から離すような力が可動接触子３に対して作用することを抑制することができるので通電容量の低下を防ぐことができる。一方、リレーの遮断時においては、消弧用コイル７に電流が流れることで、固定接触子１，２と可動接触子３との間に発生するアークを引き伸ばす力が発生するので、アークを速やかに消滅させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は２つの接点が離れるときに発生するアークを消滅させるための消弧装置に関し、特にリレーの可動接触子が固定接触子から離れるときに発生するアークを消滅させるための消弧装置に関する。

固定接触子と可動接触子とを備えるスイッチ装置あるいはリレーにおいて、両接点が離れるときに両接点間に生じるアークを消滅させる（消弧する）ための消弧装置が知られている。たとえば、特開２００４−１７８９５３号公報（特許文献１）は、アークを消滅させるための永久磁石を備える磁気消弧式スイッチ装置を開示する。

特開２００４−１７８９５３号公報

上記の構成によれば、可動接触子が固定接触子に接触している（すなわち、可動接触子が固定接触子に電気的に接続されている）ときにも永久磁石によって磁界が常に発生する。すなわち、リレーが閉状態であるときに磁界が発生している。しかしながら特開２００４−１７８９５３号公報（特許文献１）には、閉状態のリレーに対する磁界の影響については具体的に開示されていない。

本発明の目的は、閉状態のリレーに対する影響を軽微としつつ、可動接触子が固定接触子から開離する際に発生するアークを速やかに消滅させることが可能な消弧装置を提供することである。

本発明は要約すれば、第１および第２の固定接触子と、第１および第２の固定接触子に接離可能な可動接触子とを有するリレーの消弧装置である。消弧装置は、電磁石と、通電装置とを備える。電磁石は、鉄芯と鉄芯に巻回されたコイルとを有する。電磁石は、コイルに電流が流れたときに可動接触子の移動方向に対して直角方向の磁界を発生させる。通電装置は、可動接触子が第１および第２の固定接触子から開離するときに磁界が発生するように、コイルに電流を流す。

本発明によれば、閉状態のリレーに対する影響を軽微としつつ、可動接触子が固定接触子から開離する際に発生するアークを速やかに消滅させることができる。

本発明の実施の形態による消弧装置を含むリレーの主要部分の構成を示す斜視図である。 図１に示したリレーの上面図である。 励磁コイル４および消弧コイル７に電流を流すための構成を示す図である。 固定接触子に可動接触子を接触させるときのリレーの動作を説明するための図である。 可動接触子が固定接触子から離れるときのリレーの動作を説明するための図である。 リレー励磁信号および消弧コイル信号の波形図である。 永久磁石を適用した消弧装置の正面図である。 固定接触子２から固定接触子１へ向かう向きに永久磁石３１を見た状態を示す側面図である。 永久磁石によるアーク消滅の効果を説明するための図である。 永久磁石を消弧装置に用いたときの課題を説明するための図である。 本発明の実施の形態による消弧装置を備えた電源装置の概略ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態による消弧装置を含むリレーの主要部分の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示したリレーの上面図である。

図１および図２を参照して、リレー１０は、固定接触子１，２と、可動接触子３と、励磁コイル４と、電磁石５とを備える。

固定接触子１，２および可動接触子３はいずれも導電性を有する材料で構成されている。また、固定接触子１，２は互いに電気的に絶縁されている。可動接触子３は、固定接触子１，２に物理的に接触することにより固定接触子１，２に電気的に接続される。一方、可動接触子３が固定接触子１，２から離れることにより、可動接触子３と固定接触子１，２との電気的な接続が遮断される。すなわち可動接触子３の移動方向は、固定接触子１，２に近づく方向および固定接触子１，２から遠ざかる方向である。

励磁コイル４は、可動接触子３を固定接触子１，２に近づけるためのものである。励磁コイル４に電流が流れることによって磁力が発生する。この磁力によって可動接触子３が固定接触子１，２に引寄せられ、かつ可動接触子３が固定接触子１，２に接触する。一方、励磁コイル４に電流が流れていないときには励磁コイル４に磁力が発生しない。この場合には、後述するように可動接触子３が固定接触子１，２から離れる。

電磁石５は、鉄芯６と消弧コイル７とを含む。特に図２に示すように、鉄芯６はコの字状に形成される。消弧コイル７は鉄芯６に巻回される。消弧コイル７は端子８，９を有する。消弧コイル７に電流が流れることによって、電磁石５は可動接触子３の移動方向に対して直角方向（図１では紙面の奥から手前への方向、図２では紙面の上方から下方への方向）の磁界を発生させる。

図３は、励磁コイル４および消弧コイル７に電流を流すための構成を示す図である。図３を参照して、励磁コイル４は通電装置１５に接続される。同様に、消弧コイル７は端子８，９を介して通電装置１５に接続される。通電装置１５は、励磁コイル４および消弧コイル７に電流を流す（通電する）ための装置である。なお、可動接触子３を固定接触子１，２に近づく方向および固定接触子１，２から遠ざかる方向に移動させるために、可動接触子３がプランジャ１１に接続される。

図４は、固定接触子に可動接触子を接触させるときのリレーの動作を説明するための図である。図４を参照して、通電装置１５にリレー励磁信号が入力される。通電装置１５はこの信号に応じて励磁コイル４に電流を流す。これにより励磁コイル４は磁力を発生する。この磁力によって可動接触子３が固定接触子１および２に引寄せられて、可動接触子３は固定接触子１，２に物理的に接触する。これによりリレーは閉状態（オン状態）となる。なお、このときには電磁石５の消弧コイル７に電流は流れない。

図５は、可動接触子が固定接触子から離れるときのリレーの動作を説明するための図である。図５を参照して、通電装置１５が励磁コイル４へ電流の供給を停止する。この場合、プランジャ１１によって可動接触子３は固定接触子１，２から離される。すなわちリレーが開状態（オフ状態）になる。

図中の「（＋）」および「（−）」は固定接触子１の電圧が固定接触子２の電圧より高いことを示す。したがって、可動接触子３が固定接触子１，２に接触しているときには、固定接触子１から可動接触子３を介して固定接触子２に電流が流れる。可動接触子３を固定接触子１，２から離すことによって高電圧が遮断される場合、固定接触子１から可動接触子３への向きにアーク２１が発生するとともに可動接触子３から固定接触子２への向きにアーク２２が発生する。アークが持続すると接触子における接点の損傷が著しく大きくなるといった問題が生じる。そこで、発生したアークを速やかに消滅させる必要がある。

本実施の形態では、可動接触子３が固定接触子１，２から離れるときに通電装置１５に消弧コイル信号が入力される。通電装置１５はこの信号に応じて消弧コイル７に電流を流す。これにより、可動接触子３の移動方向に対して直角方向の磁界２０（図５では紙面の奥から手前方向の向きとして示す）が発生する。

フレミングの右手の法則により、破線の矢印にて示すようにアーク２１，２２を引伸ばす力（ローレンツ力）が発生する。このようにアークを引伸ばすことによって、固定接触子と可動接触子との間のコンタクトギャップが急速に広がるのと同じような効果が発生する。これによって短時間のうちにアークを消滅させることができる。

図６は、リレー励磁信号および消弧コイル信号の波形図である。
図６を参照して、時刻ｔ０において消弧コイル信号がオフ状態からオン状態になる。すなわち時刻ｔ０において消弧コイル７の通電が開始される。

次に時刻ｔ１においてリレー励磁信号がオン状態からオフ状態になる。すなわち時刻ｔ１において励磁コイル４によるリレーの励磁が終了するので、可動接触子３が固定接触子１，２から離される。したがって時刻ｔ１以後、消弧装置による消弧が実行される。

時刻ｔ２において消弧コイル信号がオン状態からオフ状態になる。これにより消弧コイル７の通電が終了するので、消弧装置による消弧も終了する。

図６に示すように、消弧コイル７の通電はリレーの励磁をオフするに先立って実行される。すなわち可動接触子３が固定接触子１，２から離れる前に電磁石５が予め磁界２０を発生させる。そして、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの期間Ｔにわたり消弧コイル７に電流が流れる。この期間Ｔは、リレーの遮断に要する時間として予め定められた時間よりも長く設定される。

ここで、アークを消滅させるための磁界を発生するるための手段として、図７および図８に示すように、電磁石に代えて永久磁石を適用する構成が考えられる。

図７は、永久磁石を適用した消弧装置の正面図である。図８は、固定接触子２から固定接触子１へ向かう向きに永久磁石３１を見た状態を示す側面図である。

図７および図８を参照して、永久磁石３１は可動接触子３の移動方向に対して垂直方向に磁界３２を発生する。たとえば図８に示すように永久磁石３１のＮ極を可動接触子３および固定接触子２に向けることによって、上記の磁界３２を発生させることができる。

図９は、永久磁石によるアーク消滅の効果を説明するための図である。
図９を参照して、磁界３２は紙面の奥から手前側に向かう向きに発生する。フレミングの右手の法則によって、アーク２１，２２を引伸ばす方向にローレンツ力２３が発生する。したがって、本実施の形態による消弧装置と同様に、直流高電圧を遮断した際に発生するアークを消滅させることが可能となる。しかしながら、消弧装置に永久磁石を用いた場合、以下に説明するような課題が発生する。

図１０は、永久磁石を消弧装置に用いたときの課題を説明するための図である。
図１０を参照して、リレーのオン状態において、可動接触子３は固定接触子１および２に物理的に接触している。また、可動接触子３を介して固定接触子１から固定接触子２に電流３３が流れている。このときにも永久磁石３１によって磁界３２が発生する。この磁界３２および可動接触子３に流れる電流により、リレーがオン状態である間、可動接触子３を固定接触子１，２から離すように可動接触子３に作用する力（図中のローレンツ力２４）が発生する。この力によって可動接触子３が固定接触子１，２に接触するための力が弱くなる。可動接触子と固定接触子との接触が弱くなると、リレーの通電容量が低下することが起こり得る。

接触子間の接触が弱くなるのを防ぐための方法として、励磁コイル４（図示せず）による磁力を強くすることが考えられる。しかしこの場合には励磁コイル４により多くの電力を供給する必要がある。すなわち励磁電力が大きくなる。

これに対し、本実施の形態では、消弧のための磁界を電磁石５によって発生させる。本実施の形態によれば、消弧コイル７に通電するタイミングを制御することで、磁界を発生させるタイミングを制御できる。

したがってリレーがオン状態である間は、消弧コイル７に電流を流さないことによって、可動接触子３を固定接触子１，２から離すような力が可動接触子３に対して作用することを防止できる。これにより通電容量の低下を防ぐことができるとともに励磁電力の増加を抑制することができる。一方、リレーの遮断時、すなわちリレーを閉状態から開状態に切換える場合においては固定接触子と可動接触子との間に発生するアークを速やかに消滅させることができる。すなわち、本実施の形態によればリレーの通電容量の確保とリレーの遮断性能とを両立させることができる。

なお、本発明の実施の形態に係る消弧装置を備えたリレーは、直流高電圧の遮断が要求される用途に適用可能である。このため、本実施の形態に係る消弧装置を備えるリレーの用途は特に限定されるものではないが、たとえば、ハイブリッド自動車あるいは電気自動車に搭載される電源装置に、本実施の形態に係る消弧装置を備えるリレーを適用することができる。

図１１は、本発明の実施の形態による消弧装置を含むリレーを搭載した電源装置の概略ブロック図である。

図１１を参照して、電源装置は、バッテリＢと、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２と、昇圧コンバータ４０と、インバータ４２と、通電装置１５と、制御装置５０とを備える。

交流モータＭ１は、ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動モータである。なお、ハイブリッド自動車においては、交流モータＭ１は、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように、そして、エンジンに対して電動機として動作する（たとえばエンジン始動を行ない得る）モータでもよい。

バッテリＢは、たとえば約２００Ｖの直流電力を発生可能な高圧バッテリである。
システムリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２の各々は、固定接触子１，２と、可動接触子３と、励磁コイル４と、電磁石５とを備える。励磁コイル４および電磁石５のコイル（図１の消弧コイル７に対応）は通電装置１５に接続される。

通電装置１５は、制御装置５０からの信号Ｓ１Ａ（励磁コイル信号）に応じてシステムメインリレーＳＭＲ１側の励磁コイル４に電流を流す。一方、通電装置１５は、制御装置５０からの信号Ｓ１Ｂ（消弧コイル信号）に応じて、システムメインリレーＳＭＲ１側の電磁石５のコイルに電流を流す。

同様に、通電装置１５は、制御装置５０からの信号Ｓ２Ａ（励磁コイル信号）に応じてシステムメインリレーＳＭＲ２側の励磁コイル４に電流を流す。一方、通電装置１５は、制御装置５０からの信号Ｓ２Ｂ（消弧コイル信号）に応じて、システムメインリレーＳＭＲ２側の電磁石５のコイルに電流を流す。なお、制御装置５０は、図６に示すように、励磁コイル信号および消弧コイル信号の各々のオンおよびオフを制御する。

以上の様に本実施の形態によれば、消弧のための磁界を電磁石５によって発生させることによって、リレーの通電容量の確保とリレーの遮断性能とを両立させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２ 固定接触子、３ 可動接触子、４ 励磁コイル、５ 電磁石、６ 鉄芯、７ 消弧コイル、８，９ 端子、１０ リレー、１１ プランジャ、１５ 通電装置、２０，３２ 磁界、２１，２２ アーク、２３，２４ ローレンツ力、３１ 永久磁石、３３ 電流、４０ 昇圧コンバータ、４２ インバータ、５０ 制御装置、Ｂ バッテリ、Ｍ１ 交流モータ、ＳＭＲ１，ＳＭＲ２ システムメインリレー。

Claims (1)

1. 第１および第２の固定接触子と、前記第１および第２の固定接触子に接離可能な可動接触子とを有するリレーの消弧装置であって、
   鉄芯と前記鉄芯に巻回されたコイルとを有し、前記コイルに電流が流れたときに前記可動接触子の移動方向に対して直角方向の磁界を発生させる電磁石と、
   前記可動接触子が前記第１および第２の固定接触子から開離するときに前記磁界が発生するように、前記コイルに電流を流す通電装置とを備える、消弧装置。

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