JP2014099286A - 電磁開閉器 - Google Patents

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Abstract

【課題】可動プランジャと磁気ヨークとの間の磁束密度を高めて電磁石ユニットの吸引力を高めて安定動作を確保することができる電磁開閉器を提供する。
【解決手段】接点収納ケース内に所定間隔を保って固定配置された一対の固定接触子と、前記接点収納ケース内に前記一対の固定接触子に対して接離可能に配設された可動接触子と、前記可動接触子を前記一対の固定接触子に対して接離させる電磁石ユニットとを備え、前記電磁石ユニットは、励磁コイルを囲む磁気ヨークと、該磁気ヨークに設けられた貫通孔を通じて可動可能に配設され、前記磁気ヨークの接極面と対向する接極面を有する可動プランジャと、該可動プランジャと前記可動接触子とを連結する連結軸とを有し、前記可動プランジャの接極面を、前記磁気ヨークとの対向面より狭い幅で磁束密度を増加させる環状凸部で構成した。
【選択図】図1

Description

本発明は、所定間隔を保って配置された一対の固定接触子と、これら固定接触子に接離可能に配置された可動接触子とを有する電磁開閉器に関する。
電流路の開閉を行う電磁開閉器として、例えば、特許文献1に記載されているように、所定距離だけ離間して配設されたそれぞれ固定接点を有する一対の固定接触子と、これら一対の固定接触子に接離自在に配設された左右端に可動接点を有する可動接触子と、可動接触子を駆動する電磁石装置とで構成される電磁開閉器が提案されている。この電磁開閉器は、電磁石装置が上端面を開放した断面U字状の磁気ヨークと、この磁気ヨークの開放端面を覆う上部磁気ヨークと、励磁コイルによって上下動される可動鉄心と、可動鉄心と前記可動接触子とを上部磁気ヨークに形成した貫通孔を通じて連結する連結軸とを備えている。
特開2012−38684号公報
ところで、上記特許文献1に記載された従来例にあっては、上面磁気ヨークと可動鉄心とが可動鉄心の全面が上面磁気ヨークの接極面に対向する接極面とされている。このため、保持状態において接極面の接極面積Sが大きくなることにより、磁束密度Bは減少することになる。
また、電磁石ユニットの吸引力Fは、
F∝B・S …………(1)
で表される。
したがって、上記従来例では、上面磁気ヨークと可動鉄心との接触面積が大きくなることにより、磁束密度Bが減少することになって、電磁石ユニットの吸引力Fが低下する。
この吸引力Fの低下は、保持力が小さくなることを意味し、接点部負荷力を抑え込むには、保持電流を上げる必要がある。しかしながら、保持電流が大きいということは消費電力や発熱の面で不利になるという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、保持電流を上げることなく接点部負荷力を抑えることができる電磁開閉器を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明に係る電磁開閉器の第1の態様は、接点収納ケース内に所定間隔を保って固定配置された一対の固定接触子と、前記接点収納ケース内に前記一対の固定接触子に対して接離可能に配設された可動接触子と、前記可動接触子を前記一対の固定接触子に対して接離させる電磁石ユニットとを備えている。そして、前記電磁石ユニットは、励磁コイルを囲む磁気ヨークと、該磁気ヨークに設けられた貫通孔を通じて可動可能に配設され、前記磁気ヨークの接極面と対向する接極面を有する可動プランジャと、該可動プランジャと前記可動接触子とを連結する連結軸とを有する。さらに、前記可動プランジャの接極面を、前記磁気ヨークとの対向面より狭い幅で磁束密度を増加させる環状凸部で構成した。
また、本発明の電磁開閉器の第2の態様は、前記環状凸部は円環状に形成されている。
また、本発明の電磁開閉装置の第3の態様は、前記環状凸部は、前記可動プランジャに形成した周鍔部の外周側に形成されていることを特徴としている。
本発明によれば、可動プランジャの磁気ヨークの接極面に対向する接極面に幅狭の環状凸部を形成したので、可動プランジャと磁気ヨークとの接極面の接触面積を小さくすることができ、環状凸部と磁気ヨークとの間の磁束密度を大きくして吸引力を大幅に向上させることができる。
本発明に係る電磁開閉器の第1の実施形態を示す断面図である。 電磁石ユニットの分解斜視図である。 可動プランジャを示す斜視図である。 可動プランジャの断面図である。 本発明による上部磁気ヨークの接極面を示す説明図である。 ストロークと吸引力との関係を示す特性線図である。 比較例の上部磁気ヨークの接極面を示す平面図である。 本発明の接点装置の変形例を示す図であって、(a)は断面図、(b)は斜視図である。 本発明の接点装置の他の変形例を示す図であって、(a)は断面図、(b)は斜視図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明に係る電磁開閉器を電磁接触器に適用した場合の第1の実施形態を示す断面図、図2は電磁石ユニットの分解斜視図である。
これら図1及び図2において、10は電磁接触器であり、この電磁接触器10は接点機構を配置した接点装置100と、この接点装置100を駆動する電磁石ユニット200とで構成されている。
接点装置100は、図1及び図2から明らかなように、接点機構101を収納する消弧室としての接点収納ケース102を有する。この接点収納ケース102は、金属製の下端部に外方と突出するフランジ部103を有する金属角筒体104と、この金属角筒体104の上端を閉塞する平板状のセラミック絶縁基板で構成される天板となる固定接点支持絶縁基板105とを備えている。
金属角筒体104は、そのフランジ部103が後述する電磁石ユニット200の上部磁気ヨーク210にシール接合されて固定されている。
また、固定接点支持絶縁基板105には、中央部に後述する一対の固定接触子111及び112を挿通する貫通孔106及び107が所定間隔を保って形成されている。この固定接点支持絶縁基板105の上面側における貫通孔106及び107の周囲及び下面側における金属角筒体104に接触する位置にメタライズ処理が施されている。
接点機構101は、図1に示すように、接点収納ケース102の固定接点支持絶縁基板105の貫通孔106及び107に挿通されて固定された一対の固定接触子111及び112を備えている。これら固定接触子111及び112のそれぞれは、固定接点支持絶縁基板105の貫通孔106及び107に挿通される上端に外方に突出するフランジ部113を有する支持導体部114と、この支持導体部114に連結されて固定接点支持絶縁基板105の下面側に配設され内方側を開放したC字状の接点導体部115とを備えている。
接点導体部115は、固定接点支持絶縁基板105の下面に沿って外側に延長する第2の連結板部としての上板部116とこの上板部116の外側端部から下方に延長する連結板部としての中間板部117と、この中間板部117の下端側から上板部116と平行に内方側すなわち固定接触子111及び112の対面方向に延長する接点板部としての下板部118とを備えている。このため、接点導体部115は、中間板部117及び下板部118で形成されるL字状部に上板部116を加えたC字状に形成されている。
ここで、支持導体部114と接点導体部115とは、支持導体部114の下端面に突出形成されたピン114aを接点導体部115の上板部116に形成された貫通孔120内に挿通した状態で例えばろう付けによって固定されている。なお、支持導体部114及び接点導体部115の固定は、ろう付けに限らず、ピン114aを貫通孔120に嵌合させたり、ピン114aに雄ねじを形成し、貫通孔120に雌ねじを形成して両者を螺合させたりしてもよい。
また、固定接触子111及び112の接点導体部115における中間板部117の内側面を覆うように、平面から見てC字状の磁性体板119が装着されている。このように、中間板部117の内側面を覆うように磁性体板119を配置することにより、中間板部117を流れる電流によって発生する磁場をシールドすることができる。
この磁性体板119は、中間板部117の周囲を覆うように形成してもよく、中間板部117に流れる電流による磁場をシールドできればよい。
さらに、固定接触子111及び112の接点導体部115にそれぞれ、アークの転流を規制する合成樹脂材製の絶縁カバー121が装着されている。
このように、固定接触子111及び112の接点導体部115に絶縁カバー121を装着することにより、この接点導体部115の内周面では下板部118の内側の上面側のみが露出されて接点部とされている。
そして、固定接触子111及び112の接点導体部115内に両端部を配置するように可動接触子130が配設されている。この可動接触子130は後述する電磁石ユニット200の可動プランジャ215に固定された連結軸131に支持されている。この可動接触子130は、図1に示すように、中央部の連結軸131の近傍が下方に突出する凹部132が形成され、この凹部132に連結軸131を挿通する貫通孔133が形成されている。
連結軸131は、上端に外方に突出するフランジ部131aが形成されている。この連結軸131に下端側から接触スプリング134に挿通し、次いで可動接触子130の貫通孔133を挿通して、接触スプリング134の上端をフランジ部131aに当接させこの接触スプリング134で所定の付勢力を得るように可動接触子130を例えばCリング135によって位置決めする。
この可動接触子130は、釈放状態で、両端の平坦部130aと固定接触子111及び112の接点導体部115の下板部118の平坦部118aとが所定間隔を保って離間した状態となる。また、可動接触子130は、投入位置で、両端の接点部が固定接触子111及び112の接点導体部115の下板部118の平坦部118aに、接触スプリング134による所定の接触圧で接触するように設定されている。
さらに、接点収納ケース102の金属角筒体104の内周面には、図1に示すように、底板部140aとこの底板部140aの上面に形成された角筒体140bとで有底角筒状に形成された絶縁筒体140が配設されている。この絶縁筒体140は例えば合成樹脂製で底板部140a及び角筒体140bが一体成形されている。
電磁石ユニット200は、図1及び図2に示すように、側面から見て扁平なU字形状の磁気ヨーク201を有し、この磁気ヨーク201の底板部202の中央部に円筒状補助ヨーク203が固定されている。この円筒状補助ヨーク203の外側にスプール204が配置されている。
このスプール204は、円筒状補助ヨーク203を挿通する中央円筒部205と、この中央円筒部205の下端部から半径方向外方に突出する下フランジ部206と、中央円筒部205の上端から半径方向外方に突出する上フランジ部207とで構成されている。そして、中央円筒部205、下フランジ部206及び上フランジ部207で構成される収納空間に励磁コイル208が巻装されている。
そして、磁気ヨーク201の開放端となる上端間に上部磁気ヨーク210が固定されている。この上部磁気ヨーク210は、図5に示すように、中央部にスプール204の中央円筒部205に対向する貫通孔210aが形成されて、これら貫通孔210aの周囲の上面側が接極面210bとされている。
そして、スプール204の中央円筒部205内に、底部と磁気ヨーク201の底板部202との間に復帰スプリング214を配設した可動プランジャ215が上下に摺動可能に配設されている。この可動プランジャ215には、上部磁気ヨーク210から上方に突出する上端部に半径方向外方に突出する周鍔部216が形成されている。この周鍔部216の上部磁気ヨーク210と対向する下面には、図3及び図4に示すように、外周側に例えば0.数mm程度の高さHで下方に突出する円環状凸部216aが形成されている。この円環状凸部216の下面が接極面216bとされている。
このため、上部磁気ヨーク210の貫通孔210aの周囲に形成される可動プランジャ215の接極面と接触する接極面210bが図5に示すように貫通孔210aの外側に所定幅で形成される。
このように、可動プランジャ215の接極面216bと上部磁気ヨーク210の接極面210bの表面積が小さく設定されているので、後述するよう励磁コイル208を励磁したときに可動プランジャ215の接極面216bから上部磁気ヨーク210の接極面に向かう磁束の磁束密度を高めることができる。
そして、励磁コイル208を励磁したときの上部磁気ヨーク210の吸引力Fは、前述した(1)式のように、接極面の磁束密度をBとし、接極面積をSとすると、F∝B・Sで表されるので、接極面積の減少分より磁束密度Bの増加分が二乗で効いてくるので、吸引力Fを大幅に増加させることができる。これにより、可動プランジャ215に対して十分な保持力を確保することができる。
また、上部磁気ヨーク210の上面に、例えば外形が方形で円形の中心開口221を有して環状に形成された永久磁石220が可動プランジャ215の周鍔部216を囲むように固定されている。この永久磁石220は上下方向すなわち厚み方向に上端側を例えばN極とし、下端側をS極とするように着磁されている。
そして、永久磁石220の上端面に、永久磁石220と同一外形で可動プランジャ215の周鍔部216の外径より小さい内径の貫通孔224を有する補助ヨーク225が固定されている。この補助ヨーク225の下面に可動プランジャ215の周鍔部216が当接されている。
なお、永久磁石220の形状は上記に限定されるものではなく、円環状状に形成することもでき、要は内周面が周鍔部216の形状に合わせた形状であれば外形は円形、多角形等の任意形状とすることができる。
また、可動プランジャ215の上端面には可動接触子130を支持する連結軸131が螺着されている。
そして、可動プランジャ215が非磁性体製で有底筒状に形成されたキャップ230で覆われ、このキャップ230の開放端に半径方向外方に延長して形成されたフランジ部231が上部磁気ヨーク210の下面にシール接合されている。これによって、接点収納ケース102及びキャップ230が上部磁気ヨーク210の貫通孔210aを介して連通される密封容器が形成されている。そして、接点収納ケース102及びキャップ230で形成される密封容器内に水素ガス、窒素ガス、水素及び窒素の混合ガス、空気、SF等のガスが封入されている。
次に、上記実施形態の動作を説明する。
今、固定接触子111が例えば大電流を供給する電力供給源に接続され、固定接触子112が負荷に接続されているものとする。
この状態で、電磁石ユニット200における励磁コイル208が非励磁状態にあって、電磁石ユニット200で可動プランジャ215を下降させる励磁力を発生していない釈放状態にあるものとする。
この釈放状態では、可動プランジャ215が復帰スプリング214によって、上部磁気ヨーク210から離れる上方向に付勢される。これと同時に、永久磁石220の磁力による吸引力が補助ヨーク225に作用されて、可動プランジャ215の周鍔部216が吸引される。このため、可動プランジャ215の周鍔部216の上面が補助ヨーク225の下面に当接している。
このため、可動プランジャ215に連結軸131を介して連結されている接点機構101の可動接触子130の接点部となる平坦部130aが固定接触子111及び112の接点部となる平坦部118aから上方に所定距離だけ離間している。したがって、固定接触子111及び112間の電流路が遮断状態にあり、接点機構101が開極状態となっている。
このように、釈放状態では、可動プランジャ215に復帰スプリング214による付勢力と環状永久磁石220による吸引力との双方が作用しているので、可動プランジャ215が外部からの振動や衝撃等によって不用意に下降することがなく、誤動作を確実に防止することができる。
この釈放状態から、負荷に電力を供給するには、電磁石ユニット200の励磁コイル208を励磁し、電磁石ユニット200で励磁力を発生させて、可動プランジャ215から周鍔部216を通り、この周鍔部216の下面に形成された円環状凸部216aの下面の接極面216bから上部磁気ヨーク210の接極面210bを通り、さらに上部磁気ヨーク210の左右端部から磁気ヨーク201を通り、補助ヨーク203を通って可動プランジャ215に至る磁路が形成される。
この磁路によって互いに対向している可動プランジャ215の接極面216bが上部磁気ヨーク210の接極面210bによって吸引され、可動プランジャ215が復帰スプリング214の付勢力及び環状永久磁石220の吸引力に抗して下降される。この可動プランジャ215の下降が、周鍔部216の下面が上部磁気ヨーク210の上面に当接することにより停止される。
そして、可動プランジャ215が下降することにより、可動プランジャ215に連結軸131を介して連結されている可動接触子130も下降し、その平坦部130aが固定接触子111及び112の平坦部118aに接触スプリング134の接触圧で接触する。
このため、外部電力供給源の大電流が固定接触子111、可動接触子130、及び固定接触子112で構成される主回路を通じて負荷に供給される閉極状態となる。
このとき、可動プランジャ215の接極面216bが円環状凸部216aの下面に形成されており、接極面積Sは小さくなるが磁束密度Bは増加することになり、前述した(1)式によって、吸引力Fを増加させることができる。このため、可動接触子130が固定接触子111及び112に接触している閉極時に可動プランジャ215を十分な保持力で保持することができる。
このため、保持状態における接極面積を小さく設定することにより、この接極面での磁束密度を高めることができ、図6に示すように、可動プランジャ215のストロークが“0”近傍の閉極時におけるA点の吸引力(保持力)を実線図示のように大きくすることができる。このとき、励磁コイル208の保持電流は二点鎖線図示の接点部負荷力を抑え込むために増加させる必要がなく、消費電力の増加や発熱の増加を抑制して確実な保持力を確保することができる。
ちなみに、可動プランジャ215の周鍔部216の下面に円環状凸部216aを設けない比較例の場合には、周鍔部216の下面の広い面積が接極面となる。このため、上部磁気ヨーク210の接極面210bが、図7に示すように、貫通孔210aの縁まで広がることになり、接極面積Sが増加するが、この分磁束密度Bは減少することになる。したがって、比較例の場合には、上部磁気ヨーク210による吸引力Fは減少することになり、図6で点線図示のように閉極時のA点における吸引力が本実施形態に比較して減少することなる。このため、確実な保持力を確保するためには、二点鎖線図示の接点部負荷力を抑え込むために、励磁コイル208の保持電流を増加させる必要があり、消費電力が増加するとともに発熱も増加することになるという問題点が発生する。
しかしながら、本実施形態によると、上述したように、可動プランジャ215の下面に形成した幅狭の円環状凸部216aの下面を接極面とすることにより、接極面積Sを減少させて磁束密度Bを増加させることにより、上部磁気ヨーク210による吸引力を増加させることができるので、上記問題点を解決することができる。
このように、上記実施形態によれば、可動プランジャ215の周鍔部216の下面に接極面積を周鍔部216の全表面積より小さくする円環状凸部216aを形成したので、円環状凸部216aと上部磁気ヨーク210の表面との接極面積を小さくし、この分磁束密度を増加させることができる。この結果、前記(1)式にしたがって、上部磁気ヨーク210による吸引力Fを増加させることができる。しかも、この吸引力を増加させるために励磁コイル208の保持電流を増加させる必要がないので、消費電力の増加や発熱の増加を確実に防止することができる。
なお、上記実施形態においては、可動プランジャ215が円筒状に形成され、周鍔部216が円板状に形成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、周鍔部216の外形形状は四角形、五角形、六角形等の多角形に形成することができ、これに応じて円環状凸部216aも任意の角筒形状とすることができ、要は環状の凸部であればよい。また、可動プランジャ215の形状も円筒状に限るものではなく、任意の角筒状に形成することができる。これに応じて上部磁気ヨーク210の貫通孔210aの形状を変更すればよい。
また、上記実施形態においては、接点収納ケース102を金属角筒体104と、この金属角筒体104の上端を閉塞する固定接点支持絶縁基板105とをろう付けして形成する場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、セラミック、合成樹脂材等の絶縁材で桶状に一体形成するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、固定接触子111及び112にC字状の接点導体部115を形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図8(a)及び(b)に示すように、支持導体部114に接点導体部115における上板部116を省略した形状となるL字状部160を連結するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、可動接触子130が中央部に凹部132を有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図9(a)及び(b)に示すように、凹部132を省略して平板状に形成するようにしてもよい。要は、接点機構101の構成に任意の構成とすることができる。
また、上記実施形態においては、可動プランジャ215に連結軸131を螺合させる場合について説明したが、可動プランジャ215と連結軸131とを一体に形成するようにしてもよい。
また、連結軸131と可動接触子130との連結が、連結軸131の先端部にフランジ部131aを形成し、接触スプリング134及び可動接触子130を挿通してから可動接触子130の下端をCリングで固定する場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、連結軸131のCリング位置に半径方向に突出する位置決め大径部を形成し、これに可動接触子130を当接させてから接触スプリング134を配置し、この接触スプリング134の上端をCリングによって固定するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、接点収納ケース102及びキャップ230で密封容器を構成し、この密封容器内にガスを封入する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、遮断する電流が低い場合にはガス封入を省略するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態においては、本発明を電磁接触器に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、電磁継電器や他の電磁開閉器を含む任意の開閉器に本発明を適用することができる。
10…電磁接触器、100…接点装置、101…接点機構、102…接点収納ケース(消弧室)、104…金属角筒体、105…固定接点支持絶縁基板、111,112…固定接触子、114…支持導体部、115…接点導体部、116…上板部、117…中間板部、118…下板部、121…絶縁カバー、130…可動接触子、131…連結軸、134…接触スプリング、140…絶縁筒体、200…電磁石ユニット、201…磁気ヨーク、203…円筒状補助ヨーク、204…スプール、208…励磁コイル、210…上部磁気ヨーク、210a…貫通孔、210b…接極面、214…復帰スプリング、215…可動プランジャ、216…周鍔部、216a…円環状凸部、216b…接極面、220…永久磁石、225…補助ヨーク

Claims (3)

  1. 接点収納ケース内に所定間隔を保って固定配置された一対の固定接触子と、
    前記接点収納ケース内に前記一対の固定接触子に対して接離可能に配設された可動接触子と、
    前記可動接触子を前記一対の固定接触子に対して接離させる電磁石ユニットとを備え、
    前記電磁石ユニットは、励磁コイルを囲む磁気ヨークと、該磁気ヨークに設けられた貫通孔を通じて可動可能に配設され、前記磁気ヨークの接極面と対向する接極面を有する可動プランジャと、該可動プランジャと前記可動接触子とを連結する連結軸とを有し、
    前記可動プランジャの接極面を、前記磁気ヨークとの対向面より狭い幅で磁束密度を増加させる環状凸部で構成した
    ことを特徴とする電磁開閉器。
  2. 前記環状凸部は円環状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電磁開閉器。
  3. 前記環状凸部は、前記可動プランジャに形成した周鍔部の外周側に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電磁開閉器。
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