JP2012064584A - 電気機械式回路遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】非常に小さな電流を遮断することができる一方で、電流をいずれの方向にも遮断できる回路遮断器を提供する。
【解決手段】電気機械式回路遮断器は固定接触要素（５）及び可動接触要素（６）の作用により主回路（３，４）中の電流を発生させたりこれを遮断したりするようになってイル。吹き消し装置（２）が接触要素（５，６）の引き離しにより生じたアーク（17）を消弧手段（１）中に駆動するようになった磁界（Ｂ）を生じさせるよう磁化電流が流される磁化コイル（１１）を有する。吹き消し装置は、アークに対して半径方向に差し向けられていて、アークを電極手段（９，１０）に接触させるようアークに加わる力（Ｆ_１５，Ｆ_１６）を発生させるようなった磁界（Ｂ_１５，Ｂ_１６）を生じさせる磁気手段（15，16）を更に有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、この用途には限定されないが、例えば鉄道型車両を含む牽引網（牽引ネットワーク）のようなＤＣ設備を保護するようになった電気機械式回路遮断器に関する。

かかる牽引網の公称電圧は、典型的には、７５０〜３０００Ｖである。回路遮断器は、例えば、設備中のどこかに短絡があった場合に大電流を遮断するために用いられる。しかしながら、回路遮断器は、他の多くの産業上の用途を有する。

かかる公知の電気機械式回路遮断器は、可動接触要素と協働する固定接触要素を有する。通常の条件下においては、これら要素は、互いに接触状態にあり、主回路中の電流は、これら要素間で流される。電流を遮断する際、可動接触要素をある種の電気機械式アクチュエータにより変位させ、それにより、これら接触要素間の物理的距離が増大し、これら２つの接触要素間に電弧（電気アーク）が生じるようになる。

電流の遮断を効果的にするためには、このアークを消弧しなければならない。これは、通常、公知形式のいわゆるアークシュートを利用することによって達成され、アークは、主回路により生じた磁界に関連した力によってこのアークシュート中に差し向けられる。このアークシュート内部では、アークは、多数の小さなアークの状態に分割され、それにより、最終的には、引き離された接触要素間における導通の最終的遮断が導かれる。

この目的のため、この種の回路遮断器は、通常、電磁型のものであるのが良いいわゆる吹き消し装置を備えており、このことは、アークを消弧装置、例えばアークシュート中に追い込むために電磁力が用いられるということを意味している。

主電流を用いて磁界を生じさせる場合の利点は、電流を逆にすると磁界が逆になり、アークに加わる合力が常時同一の方向に向くということにある。このことは、回路遮断器を通る電流をいずれの方向にも遮断できるということを意味している（即ち、回路遮断器は、極性の影響されない（極性敏感性ではない））。

ＤＣ回路遮断器においてアークをアークシュート中に変位させる電磁力は、一般に、電流値の関数である。遮断されるべき電流が極めて小さい場合、特定の問題が生じる。この場合、生じる力が、アークをアークシュート中に変位させるには十分ではない。

この問題を解決する公知の手段は、永久磁石を用いてアークを小電流でも移動させるのに十分な磁界を生じさせることである。通常、永久磁石は、磁界が一様であり且つ電流の方向に本質的に垂直であると共にアークに加わる合力がアークをアークシュート中に押し込むよう差し向けられるように構成されている。しかしながら、電流が方向を変えた場合、アークに加わる合力も又、方向を変え、アークをアークシュートとは逆の方向に押す。かくして、回路遮断器は、極性の影響を受ける（極性敏感性である）。

本発明の一目的は、公知の装置の不便さをなくす電気機械式回路遮断器用の吹き消し装置の改良型設計例を提供することにある。特に、本発明の主目的は、非常に小さな電流を遮断することができる一方で、電流をいずれの方向にも遮断できる回路遮断器を提供することにある。

本発明の目的は、主回路中の電流を発生させたりこれを遮断したりするようになった電気機械式回路遮断器であって、固定接触要素及び可動接触要素を有し、接触要素は、第１の位置において、主回路の電流を流すために互いに接触状態にあり、可動接触要素は、可動接触要素が固定接触要素から引き離されて主回路中の電流が遮断されるようにする第２の位置に変位するようになっており、回路遮断器は、２つの接触要素の引き離しにより生じたアークを消弧手段中に追い込むようになった磁界を生じさせるように、磁化電流が横切る磁化コイルを有する吹き消し装置を備え、吹き消し装置は、磁化コイルに電気的に接続され且つアークが磁化コイル中に磁化電流を生じさせるような仕方でアークと協働するようになった電極手段を有し、アークを駆動する磁界は、アークの作用によって生じ、吹き消し装置は、アークに対して半径方向に差し向けられ且つアークが電極手段に接触するようアークを変位させるためにアークに加わる力を発生させるようなった磁界を生じさせる磁気手段を更に有することを特徴とする回路遮断器によって達成される。

これら特徴により、極めて正確且つ確実に機能を発揮すると共に小電流の遮断の際であっても高い効率を示す回路遮断器を得ることができる。さらに、高い堅固さ、長い寿命、及び低い価格を達成することができる。

吹き消し装置は、有利には、磁化コイルと、少なくとも２本のアームを有する磁化回路と、を備え、アークを駆動する磁界は、少なくとも部分的にこれら２本のアーム間で生じる。

これら特徴により、アークの方向及び強度がどのようなものであれ、アークを消弧装置内に追い込むのに適した磁界の発生が可能であり、かくして、高遮断性能及び高い安全性が得られる。

本発明の他の特徴、目的、使用及び利点は、従属形式の請求項の記載及び本明細書の一部をなす添付の図面を参照して行われる以下の説明から明らかであろう。

吹き消し装置及び関連のアークシュートを備えた本発明の回路遮断器を示す図である。 図１の吹き消し装置の構成を示す別の図である。 図１及び図２の回路遮断器及び吹き消し装置の第１段階における電弧を示す図であり、電弧が一方向に流れている状態を示す図である。 図１及び図２の回路遮断器及び吹き消し装置の第１段階における電弧を示す図であり、電弧が逆方向に流れている状態を示す図である。 図１及び図２の回路遮断器及び吹き消し装置における第２の段階における電弧を示す図であり、電弧が図４と同一の方向に流れている状態を示す図である。 電流の方向及び永久磁石の配向状態に応じて電弧を本発明の吹き消し装置中にずらす仕方を概略的に示す図である。 電流の方向及び永久磁石の配向状態に応じて電弧を本発明の吹き消し装置中にずらす仕方を概略的に示す図である。 電流の方向及び永久磁石の配向状態に応じて電弧を本発明の吹き消し装置中にずらす仕方を概略的に示す図である。 通常の場合において電弧を本発明の吹き消し装置中にずらす仕方を概略的に示す図である。 制限された場合において電弧を本発明の吹き消し装置中にずらす仕方を概略的に示す図である。 本発明の変形例に従って電弧を吹き消し装置中にずらす仕方を概略的に示す図である。

図１は、吹き消し装置２及び関連のアークシュート１を備えた本発明の回路遮断器を概略的に且つ一般的に示す図である。このアークシュート１は、従来設計のものであり、このアークシュートについては本明細書ではこれ以上説明しない。主電流路は、第１の接触バー３を通って固定状態の機械的接触要素５に至り、関連の可動機械的接触要素６及び第２の接触バー４を通る。通常の条件下においては、これら接触要素５，６は、互いに電気的接触状態にあって主電流を流す。接触要素５，６を通る電流は、回路遮断器を作動させた時点ではいずれの方向にも流れることができる。

機械的接触要素６の移動は、アクチュエータ７によって制御され、このアクチュエータは、例えば接触要素５，６を引き離し、要素５，６間の距離を増大させることによって電気接点６を開離するのに必要な物理的移動を生じさせる。このアクチュエータ７は、従来設計のものであり、これについては本明細書ではそれ以上説明しない。

回路遮断器を作動させる典型的な状況は、回路遮断器を接続する主回路中のどこかの短絡が何らかの理由で生じるような場合である。

かかる短絡は、電流を、公称値を超えてかなり増大させる場合があり、この増大した電流は、当然のことながら、主回路中のコンポーネント及び機器を損傷させる場合がある。

したがって、かかる短絡の影響を最小限に抑えるためには、電流をできるだけ迅速に完全に遮断することが関心の的であり、かくして、これは、回路遮断器を用いて達成される。

しかしながら、回路遮断器は又、より大きな設計上の問題を引き起こす小電流を遮断することができなければならない。

当業者に周知の検出手段（図示せず）は、例えば、主回路中に配置され且つ主電流を遮断すべき条件を検出することを目的としている。かかる条件は、短絡の結果である場合がある電流の増大であると言って良い。当業者には周知である互いに協働する制御手段（図示せず）は、回路遮断器のアクチュエータ７に信号を送り、それにより、可動接触要素６を変位させて（ずらして）電流を遮断する。しかしながら、回路遮断器は、手動により又は異常条件の検出なしにアクチュエータ７に送られる通常の制御信号を用いることによっても作動可能であってもよい。

図２は、図１の吹き消し装置の構成を別の図で示している。この図では、アークシュート１は、図示されておらず、関連のアークシュート１のための支持面である全体として平坦な上面８が示されている。

吹き消し装置２は、固定接触要素５上に設けられると共にこの固定接触要素に電気的に接続された第１のアークランナ９と、可動接触要素６の頂部に設けられると共にこの可動接触要素に電気的に接続された第２のアークランナ１０と、を有している。可動接触要素６と第２のアークランナ１０との間には隙間１９が存在する。

吹き消し装置２は、可動接触要素６と第２のアークランナ１０との間に電気的に接続され且つ磁気回路１２中に磁界Ｂを発生させる磁化コイル１１を更に有し、磁気回路１２は、コア１３及び２本のアーム１４を有している。磁気回路１２のコア１３及びアーム１４は、適切には鉄で作られる。本明細書において磁気回路１２を一例として説明するが、当業者には周知の他の適当な構成を本発明に従って吹き消し装置２に使用できることは明らかである。

磁化コイル１１は、電流により作動されると、図５に示されているように磁気回路１２のアーム１４中に磁界Ｂを発生させる。

上述の磁化回路１１の作動電流は、回路遮断器の外部からのエネルギーの入力なしで、遮断シーケンス中に自動的に生じる。

本発明の吹き消し装置２は、第１のアークランナ９及び第２のアークランナ１０の後ろにそれぞれ配置された少なくとも２つの永久磁石１５，１６を更に有している。好ましくは、磁石１５，１６は、これらのそれぞれのアークランナ９，１０と接触状態にはなく、短絡中、アークランナ９，１０の過熱の場合に磁石１５，１６を保護するように、例えばプラスチックで作られた或る適当な支持体上に配置されている。

永久磁石１５，１６の各々は、図３及び図４に示されているように接触要素５，６間の空間中にそれぞれ磁界Ｂ₁₅，Ｂ₁₆を生じさせる。

通常の条件下では、固定接触要素５と可動接触要素６は、主電流をまるまる流す電気的接触状態にある（この状況は、図示されていない）。

今や、利用される方式に従って結果として主電流の遮断を生じさせるべき主回路中の何らかの既定の条件が検出された場合、可動接触要素６に作用する電気機械式のものであるのが良いアクチュエータ７は、制御信号を受け取る。その結果、可動接触要素６は、固定接触要素５から引き戻される。

しかしながら、主電流は、電弧又はアーク１７が図３及び図４に示されているように固定接触要素５と可動接触要素６との間に生じることに起因してすぐにはゼロには低下しない。アーク１７の方向は、主電流の方向で決まり、図３及び図４は、それぞれ、第１の方向及びこれとは逆の方向に流れる接触要素５，６間のアーク１７を示している。この場合、回路遮断器に関する課題は、主回路中の起こりうる損傷を制限するためにこの電弧１７をできるだけ迅速に消すことである。

上述したように、この種の回路遮断器は、電弧１７を分割し、最終的にこれを消弧するために電弧１７が押し込められるアークシュート１を用いている。図中、アークシュート１は、図の上部に物理的な形態で配置されている。

アークをアークシュート中に入れる駆動力Ｆは、アーク１７と、接触要素５，６周りの空間中に磁化コイル１１及び磁気回路１２により生じる磁界Ｂと、の相互作用により作られる。この場合、この駆動力Ｆは、図３、図４及び図５では上方に差し向けられなければならない。この駆動力Ｆは、アーク１７が可動接触要素６と第２のアークランナ１０との間の隙間１９を通過するのに十分に大きいことが必要である。しかしながら、この力Ｆは、遮断時の電流の強度で決まるので、電流が小さい場合、この力は、非常に弱いので、アーク１７を隙間１９中に通してアークシュート１に押し込むことができない場合がある。以下に説明するように、本発明の吹き消し装置２は、この欠点をなくし、小電流の場合であっても電流の完全且つ確実な遮断を可能にする。

図３及び図４は、電弧１７が上述の接触要素５，６間に生じた場合の、固定接触要素５からの可動接触要素６の引き戻し直後の状況を示している。図３では、アークは、第１の方向に流れ、図４では、このアーク１７は、逆方向に流れている。

吹き消し装置２の永久磁石１５，１６は、これらのそれぞれの磁界Ｂ₁₅，Ｂ₁₆がアーク１７に対して半径方向に延びるよう配置されている。図３、図４、図６ａ及び図６ｂでは、永久磁石１５，１６は、これらのＳ極Ｓが接触要素５，６相互間の空間の方に向いた状態で配向されている。以下に説明するように、これは、任意的な選択であり、磁石は、適当な半径方向磁界を発生させるために逆方向に向いていなければならないが、本発明は、Ｎ極Ｎが接触要素５，６間の空間の方に向いた状態の永久磁石の場合に同様に作用する。

すると、磁界Ｂ₁₅，Ｂ₁₆は、今や固定接触要素５及び可動接触要素６とそれぞれ接触状態にあるアーク１７の足１８を初期段階において第１のアークランナ９及び第２のアークランナ１０にそれぞれ接触させるようになった、アーク１７に加わる力Ｆ₁₅，Ｆ₁₆を既に最初から生じさせる。

これら力Ｆ₁₅，Ｆ₁₆は、ラプラス力である。正確に言えば、これら力Ｆ₁₅，Ｆ₁₆の各々は、電流の方向と磁界Ｂ₁₅，Ｂ₁₆のそれぞれの磁力線の両方に垂直であり、最終的に、アーク１７を右手の法則に従って定まる方向の円形運動の状態にする。

第２のアークランナ１０の後ろに配置された永久磁石１６に起因して生じると共に可動接触要素６と接触状態にあるアーク１７の足に作用する力Ｆ₁₆は、特に図６ａ及び図６ｂに示されている。図６ａでは、アーク１７は、紙面に垂直に且つ見ている人から遠ざかって流れ、図６ｂでは、アーク１７は、紙面に垂直に且つ見ている人に近づいて流れている。かくして、図６ａでは、アーク１７は、まず最初に右に押され、次に上に押され、これに対し、図６ｂでは、アーク１７は、最初に左に押され、次に上に押される。

図６ｃは、永久磁石（この場合、第２のアークランナ１０の後ろに配置された永久磁石１６）の極性の配向状態が重要ではないということを示している。図示のように、永久磁石１６のＮ極Ｎは、接触要素５，６間の空間の方へ向いている。アーク１７に加わる合力Ｆ₁₆は、依然として上に向けられており、アーク１７をアークシュート１の方へ上に押す。

アーク１７が図５に示されているようにいったんアークランナ９，１０に接触すると、アーク１７はそれ自体、磁化コイル１１を作動させ、この磁化コイル１１は、磁気回路１２のアーム１４を通る磁界Ｂを発生させる。磁界Ｂの方向は、電流の方向で決まり、磁化コイル１１及び磁気回路１２は、この磁界Ｂがアーク１７をアークシュート１中に押し込む力Ｆを生じさせるよう構成されている。この力Ｆは、図５では上方に差し向けられなければならない。

アーク１７は、いったんアークシュート１内に入ると、多数の小さなアークに分割され、それにより、最終的には、引き離された接触要素５，６間における導通の最終的遮断が行われる。

本発明による磁石１５，１６のこの配置状態は、遮断時点において主電流の両方の方向に有効である。さらに、永久磁石１５，１６は、アーク１７が第２のアークランナ１０と可動接触要素６との間の隙間１９を通るのを助けて、小電流の場合であっても磁化コイル１１を作動させる追加の力をもたらす。これにより、本発明の回路遮断器は、電流が小さい場合であってもこの小電流を効果的に遮断することができる。本発明の回路遮断器は、極めて小さな電流であっても、この電流の大きさが、磁化コイル１１により生じると共にこの電流に比例した磁界Ｂを、永久磁石１５，１６により生じる磁界Ｂ₁₅，Ｂ₁₆よりも強くするほどのものであれば、この極めて小さな電流を遮断する。

図７ｃは、本発明の変形例を示している。電流が極めて小さい場合、永久磁石１５により接触要素５，６からアークランナ９，１０に押されるアーク１７が非常に弱いので、アーム１４間で磁化コイル１１により作られる磁界Ｂは、永久磁石１５，１６により作られる磁界Ｂ₁₅，Ｂ₁₆よりも弱い。この場合、アーク１７は、引き続き磁石１５，１６の軸線回りに螺旋運動を行い、アークシュート１内には押し込められない。この極端な場合は、図７ｂに概略的に示されており、極端でない場合が図７ａに示されている。両方の図において、電流は、紙面に垂直に且つ見ている人の方に差し向けられる。アーク１７がこの極端な場合であってもアークシュート１内に押し込められるようにするために、本発明の変形例としての回路遮断器は、第１及び第２のアークランナ９，１０の後ろに各々設けられた鋼板２０を更に有する。これら鋼板２０は、永久磁石が接触要素５，６間の空間内に配置されているので、磁界Ｂ₁₅，Ｂ₁₆の上方部分の強度を減少させる（これは、図７ｃに点線で概略的に示されている）。それゆえ、図７ｃに示されているように、電流が極めて小さい場合であっても、アーク１７は、接触要素５，６からアークランナ９，１０まで押し上げられる。というのは、磁界Ｂ₁₅，Ｂ₁₆は、接触要素５，６の前では強度が小さくならないからである。アーク１７は、アークランナ９，１０といったん接触関係をなすと、磁化コイル１１を作動させ、この磁化コイルは、アーム１４間に磁界Ｂを発生させる。磁界Ｂは、磁界Ｂ₁₅，Ｂ₁₆よりも強度が小さいが、鋼板２０の存在に起因して、磁界Ｂ₁₅，Ｂ₁₆は、アークランナ９，１０の前では強度が減少し、従って、図７ｃでは上方に差し向けられているアーク１７に作用する合力Ｆは、アーク１７をアークシュート１内に押し込み、アーク１７は、消弧されることになる。

当然のことながら、上述の実施形態は、本発明を何ら制限するものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明により定められる技術的思想の枠組みに収まるような全ての望ましい改造例の内容であると言える。

回路遮断器は、２つ以上の可動接触要素及び固定接触要素を備えることができる。

吹き消し装置は、可動要素６の頂部に設けられた第２のアークランナ１０の後ろに配置される永久磁石１６だけを有しても良い。この場合、磁界Ｂ₁₆は、力Ｆ₁₆を生じさせて可動要素６と接触状態にあるアーク１７の足１８を隙間１９に通過させ、この足１８を第２のランナ１０に接触させる。足１８が第２のランナ１０といったん接触関係をなすと、足１８は、磁化コイル１１を作動させ、この磁化コイルは、アーム１４を通る磁界Ｂを発生させる。この磁界Ｂにより、アーク１７を上述したようにアークシュート１内に押し込む力Ｆが生じる。

磁気回路１２、アーム１４及びコア１３の設計は、異なるように選択されても良い。

吹き消し装置２は、２つ以上のコイルを備えても良いが、かかるコイルは、アーク又はアークの一部と並列結合関係をなすように配置される。

吹き消し装置２は、各アークランナの後ろに設けられた２つ以上の永久磁石を備えても良い。

上述の回路遮断器は、非常に正確に且つ確実に機能を発揮し、特に小電流を遮断するようになっている。永久磁石は、確かに、電弧が弱い場合であってもこれをアークシュート１内に押し込むのを助ける追加の力をもたらす。

１ アークシュート
２ 吹き消し装置
３，４ 接触バー
５ 固定接触要素
６ 可動接触要素
７ アクチュエータ
９，１０ アークランナ
１１ 磁化コイル
１３ コア
１４ アーム
１５，１６ 磁石
１７ アーク又は電弧

Claims (8)

1. 主回路（３，４）中の電流を発生させこれを遮断するようになった電気機械式回路遮断器であって、固定接触要素（５）及び可動接触要素（６）を有し、前記接触要素（５，６）は、第１の位置において、前記主回路（３，４）の電流を流すために互いに接触状態にあり、前記可動接触要素（６）は、前記可動接触要素が前記固定接触要素（５）から引き離されて前記主回路中の電流が遮断されるようにする第２の位置に変位するようになっており、前記回路遮断器は、２つの前記接触要素（５，６）の引き離しにより生じたアーク（１７）を消弧手段（１）中に追い込むようになった磁界（Ｂ）を生じさせるよう磁化電流が横切る磁化コイル（１１）を有する吹き消し装置（２）を備え、前記吹き消し装置（２）は、前記磁化コイル（１１）に電気的に接続され且つ前記アーク（１７）が前記磁化コイル（１１）中に前記磁化電流を生じさせるような仕方で前記アーク（１７）と協働するようになった電極手段（９，１０）を有し、前記アーク（１７）を駆動する前記磁界（Ｂ）は、前記アーク（１７）の作用によって生じ、前記吹き消し装置（２）は、前記アーク（１７）に対して半径方向に差し向けられ且つ前記アーク（１７）が前記電極手段（９，１０）に接触するよう前記アーク（１７）を変位させるために前記アーク（１７）に加わる力（Ｆ₁₅，Ｆ₁₆）を発生させるようなった磁界（Ｂ₁₅，Ｂ₁₆）を生じさせる磁気手段（１５，１６）を更に有する、回路遮断器。
2. 前記電極手段は、前記固定及び前記可動接触要素（５，６）上にそれぞれ設けられると共に前記固定及び前記可動接触要素（５，６）にそれぞれ電気的に接続された第１及び第２のアークランナ（９，１０）を含む、請求項１記載の回路遮断器。
3. 前記磁気手段は、前記可動接触要素（６）の頂部に取り付けられた前記第２のアークランナ（１０）の後ろに配置された少なくとも１つの第１の永久磁石（１６）を含む、請求項２記載の回路遮断器。
4. 前記磁気手段は、前記固定接触要素（５）の頂部に取り付けられた前記第１のアークランナ（９）の後ろに配置された第２の永久磁石（１５）を更に含む、請求項３記載の回路遮断器。
5. 前記吹き消し装置（２）は、少なくとも２本のアーム（１４）を有する磁化回路（１２）を備え、前記アーク（１７）を駆動する前記磁界（Ｂ）は、少なくとも部分的に前記アーム（１４）間で生じる、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の回路遮断器。
6. 前記消弧手段は、前記吹き消し装置（２）に取り付けられたアークシュート（１）である、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の回路遮断器。
7. 前記回路遮断器は、前記主回路中の所定の条件を検出する検出手段を備え、前記所定の条件下では、主電流は、遮断されなければならず、前記検出手段は、前記主電流を遮断するように、前記可動接触要素（６）を変位させるようになったアクチュエータ（７）と協働する、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の回路遮断器。
8. 前記回路遮断器は、前記電極手段（９，１０）周りの前記磁気手段（１５，１６）により生じる前記磁界（Ｂ₁₅，Ｂ₁₆）を減少させるように、前記電極手段（９，１０）に取り付けられた鋼板を更に有する、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の回路遮断器。

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