JP2015046273A - 開閉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流の向きに依らず小形磁石を用いた場合でも小電流から大電流まで十分な遮断信頼性を確保できる開閉装置を得る。
【解決手段】固定接点を有する固定接触子及び可動接点を有する可動接触子、固定接点と可動接点との開閉動作を行う開閉機構部、固定接点と可動接点との開離時に固定接触子と可動接触子間で発生したアークを伸張させる磁石、及びアークの発生部に延在させた一端部とスペーサを介し磁石を面接合させた他端部とを有する吸引棒を備え、スペーサは、吸引棒よりも低い熱伝導率を有する部材で構成したものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、電流を遮断するスイッチ、開閉器、遮断器、電磁接触器、継電器などの開閉装置に関するものである。

従来の開閉装置では、接点間に発生したアークを引き伸ばしてアーク抵抗を高め、アーク電圧を高電圧化して電流を遮断する。特に、ＤＣ用開閉装置に関しては電源電圧よりアーク電圧を高くし、電流零点を発生させて遮断する必要があるため、アークを引き伸ばす技術は重要である。従来、一般的にアークを引き伸ばすには永久磁石の磁力線をアークに鎖交させ、アークにローレンツ力を作用させることでアーク長を引き伸ばしている（例えば特許文献１）。

特開２００９−８７９１８号公報

このような開閉装置では、アークに所望のローレンツ力を作用させるために前記ローレンツ力の作用面に対し、一様な方向の磁力線を作用させる必要がある。
アークに対して一様な方向の磁力線を鎖交させるためには、前記ローレンツ力の作用面よりも永久磁石の磁極面を大きくしなければならず、高コストな構成となり、配置スペースを確保することが困難となる。
また、永久磁石の磁極面に対向しない箇所に位置するアークに対しては、永久磁石から生成する磁力線が予期しない向きのローレンツ力を生じさせるため、遮断の信頼性が低下し、最悪の場合は遮断不能を引き起してしまう。
従来の永久磁石を搭載した開閉装置では、アークは前記永久磁石の対向面より外側まで引き伸ばす場合がほとんどで、このような開閉装置では遮断の信頼性が乏しくなる。
また、磁石の磁極面との対向面よりも外側まで駆動、伸張したアークには磁気駆動作用が働きにくくなるだけでなく、永久磁石から生成される磁力線が予期しない向きの電磁力を引き起すため、遮断の信頼性が低下する。

また、永久磁石からの磁力線を前記永久磁石の対向面より外側でも形成させるため、磁気ヨークを用いることがあるが、永久磁石からの磁力線によって生じるローレンツ力は、電流の向きが変わると逆方向に作用するため、この場合逆接続すると遮断が困難となり事故の原因となる。
この事故を避けるためには、電流の向きが逆転してアークが逆方向に動いても十分に伸張できるアーク伸張空間と磁気ヨークを搭載しなければならず、開閉装置が大形化する問題があった。
このように通電方向が逆になると、アークの駆動方向が逆転するため、遮断信頼性が低下する問題がある。また、アークが逆方向に駆動した場合でも遮断できるように消弧空間を拡げる手段もあるが、この手段では装置が大形化する問題がある。
また、電流の大きな範囲においては、永久磁石によって生じるローレンツ力よりも、通電導体を流れる電流から及ぼされるローレンツ力の方が強くなって永久磁石による電磁力の効果が低下し、小電流遮断時のように駆動方向が制御できなくなり、大電流の領域ではアークの駆動力が低下し、遮断性能が低下する問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、電流の向きに依らず小形磁石を用いた場合でも、小電流から大電流まで十分な遮断信頼性を確保できる開閉装置を得ることを目的としている。

この発明に係わる開閉装置は、固定接点を有する固定接触子及び可動接点を有する可動接触子、上記固定接点と上記可動接点との開閉動作を行う開閉機構部、上記固定接点と上記可動接点との開離時に上記固定接触子と上記可動接触子間で発生したアークを伸張させる磁石、及び上記アークの発生部に延在させた一端部と、スペーサを介し上記磁石を面接合させた他端部とを有する吸引棒を備え、上記スペーサは、上記吸引棒よりも低い熱伝導率を有する部材で構成されているものである。

この発明の開閉装置によれば、電流の向きに関係なく、接触子間に発生したアークを配置した磁石の方向へ吸引棒の側面を沿って駆動できる。この際、アークはアーク熱により例えば絶縁カバーから発生する溶発ガスを吹付けられながら、走行、伸張するためアークは急速に冷却される。これらにより逆極性の電流が流れた場合でも高い遮断性能を得ることができる。更に、吸引棒がアークに晒され遮断により高温になった場合でも、吸引棒よりも熱伝導率が低いスペーサを介して磁石に近接配置しているため、磁石の温度は上昇せず磁石の熱減磁を抑制することができる。
以上より、高い遮断信頼性を保ちつつ、安価で小形の開閉装置を構成することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る開閉装置の閉極状態における機構部及び消弧室部分の要部構成を示す側面図である。 この発明の実施の形態１に係る開閉装置の開極状態における機構部及び消弧室部分の要部構成を示す側面図である。 この発明のアークの消弧方法についての原理説明図である。 この発明の実施の形態１に係る開閉装置の大電流遮断状態における機構部及び消弧室部分の要部構成を示す側面図である。 この発明の実施の形態２に係る開閉装置の開極状態における機構部及び消弧室部分の要部構成を示す側面図である。 この発明の実施の形態３に係る開閉装置の開極状態における機構部及び消弧室部分の要部構成を示す側面図である。 図６の開閉装置の変形例を示し、開閉装置の開極状態における機構部及び消弧室部分の要部構成を示す側面図である。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る開閉装置の閉極状態における機構部及び消弧室部分の要部構成を示す側面図、図２は、この発明の実施の形態１に係る開閉装置の開極状態における機構部及び消弧室部分の要部構成を示す側面図、図３は、この発明のアークの消弧方法についての原理説明図である。

以下、図１、図２によって実施の形態１に係る開閉装置を説明する。
図１において、開閉器１００は、絶縁物からなるケースによって構成された筐体１０の両端部に、外部の電力回路と接続される端子部Ｔ（固定側端子部ＴＡ及び可動側端子部ＴＢ）が設けられ、上部には固定接点２ａと可動接点１ａとの開閉動作を行うハンドル（開閉機構部）１０３が設けられると共に下部にはアークＡを消弧するための消弧室１０２が設けられている。

消弧室１０２には、固定側端子部ＴＡと一体的に形成され、所定部で固定接点２ａを支持する固定接触子２と、可動側端子部ＴＢ側に設けられ固定接点２ａに接離する可動接点１ａを支持しハンドル１０３によって回動自在に設けられた可動接触子１と、両接触子１、２間の空間部に形成されたアーク発生部近傍に先端部（一端部）が対向し且つ延在する長さを有し、当該空間部に進入するよう配置された磁性体からなる吸引棒３と、この吸引棒３の後端部（他端部）の端面に、Ｎ極の磁極面を面接合させ両接点１ａ、２ａの開離時に両接触子１、２間で発生したアークＡを制御して伸張させる永久磁石（磁石）４とが、それぞれ配置され、吸引棒３の後端部（他端部）外周は、絶縁体からなる樹脂製保護カバー６で保護されている。なお、樹脂製保護カバー６は、永久磁石４及び吸引棒３の少なくとも一部を覆うものであり、図３の原理説明図では、樹脂製保護カバー６に細隙ｇが形成されている。なおまた、永久磁石４の吸引棒３と隣接していない磁極面側には、磁性体からなる磁気補強板７が設けられている。

更に、吸引棒３と永久磁石４の間には、吸引棒３よりも熱伝導率の低い磁性材料で構成されたスペーサ５が挟みこみ配置されている。
このスペーサ５の装備により、永久磁石４と吸引棒３との間の磁気抵抗低下を抑制でき、吸引棒３の発熱が永久磁石４に対して伝播しにくくなり、吸引棒３が遮断動作により高温になっても、永久磁石４の温度は上昇せず、永久磁石４の熱減磁を抑制することができる。なお、スペーサ５の材質は、錫のような金属であったり、非磁性の断熱材であってもよい。

又、実施の形態１での吸引棒３は、鉄のような透磁率の高い金属製棒体を用いているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、丸棒、又は直方体、又は円筒形、又は多角形状の棒状、その他の形体の吸引部材を用いても同様の効果が得られるものである。
その他、図示していない部分の構成等は、例えば特許文献１の従来技術などと同様である。

図１の状態からハンドル１０３の操作により、可動接触子１が回動動作して可動接点１ａが開極状態になると、図２に示すように両接点１ａ、２ａ間にアークＡが発生し、吸引棒３の側面に沿って永久磁石４の方向に伸張することになる。

次に、図１のように構成された実施の形態１における開閉装置の小電流遮断動作を説明する。
図３は、図１に基づくアークＡの消弧原理を示すモデルで、以下この図３によって消弧に至る進展段階を５段階（I）〜（V）に別けて説明する。

まず、消弧の進展段階（I）において、永久磁石４から発生する磁力線Ｍは、吸引棒３により誘導され、吸引棒３の先端からアークに向かって、アークＡへの鎖交磁場が発生するようになる。前記鎖交磁場によりアークＡにローレンツ力が作用し、図３の下側方向に駆動される。

次に、消弧の進展段階（II）において、（I）で駆動されたアークＡには、吸引棒３の先端から永久磁石４のＳ極側に回り込むように形成される磁力線Ｍが鎖交するようになる。
この鎖交磁場により吸引棒３長手方向の側面部分に拡がるアーク伸張空間にアークＡは引き込まれる。

次に、消弧の進展段階（III））において、アーク伸張空間に引き込まれたアークＡは、吸引棒３の側面から法線上に発生する磁力線により更に奥まで引き込まれる。アークＡは奥に引き込まれるほど、吸引棒３の側面から発生する磁場強度が高まるため、アークＡは吸引棒３から脱離は困難で、安定してアークＡを吸引棒３奥側(図の右側)に伸張させることができる。また、奥に引き込まれたアークＡに鎖交する磁力線には、永久磁石４のＳ極側に回り込む磁力線が多く含まれるようになり、この向き(図の右側方向)の磁力線による鎖交磁場は前記アークＡを吸引棒３の内側に引き寄せる力を引き起す。

次に、消弧の進展段階（IV）において、吸引棒３を保護する保護カバー６に近接したアークＡには、更に強い力で吸引棒３の内側に押し込むローレンツ力が作用するようになる。これによりアークＡは保護カバー６に向かって圧縮され、アークＡ内部の抵抗が急激に高まる。そして、保護カバー６のアーク暴露面から溶発ガスがアークＡに向かって吹き付けられるようになり、これによりアークＡは冷却され、アークＡ内部の抵抗が更に高まるようになる。

最後に、消弧の進展段階（V）において、保護カバー６の一部に図３に示すような凹状の細隙ｇを設けた場合には、吸引棒３の内側に押し込む前記ローレンツ力により細隙ｇ内にアークＡが引き込まれアークＡが細く収縮するようになる。更に収縮したアークＡの周囲から保護カバー６からの溶発ガスが吹き付けられ、アークＡ内部でその導電性を維持できなくなるまで抵抗が高まり、消弧に至る。

なお、この構造によると、通電方向が逆の場合でも同様の効果があり、それぞれの消弧の進展段階において、図３に示すように吸引棒３の軸で対称となるようにアークＡが伸張していく。また、永久磁石４の磁極面の向きが逆の場合でも同様の効果が得られ、それぞれの消弧の進展段階において、吸引棒３の軸で対象となるようにアークＡが伸張していく。
このように、通電方向に関係なく発生したアークＡを吸引棒３の奥に引き込み、アークＡを伸張し、その後冷却して消弧することができる。

また、永久磁石４の吸引棒３と隣接していない磁極面側に磁性体からなる磁気補強板７を設けることで、吸引棒３を介して永久磁石４の周囲を周回する磁力線が形成する磁気回路の磁気抵抗が低下するため、吸引棒３の表面から発生する磁場強度が高まり、消弧性能を更に高めることができる。

この実施の形態１において、永久磁石４の磁場が、アークＡに鎖交して発生するローレンツ力よりも、固定接触子２、可動接触子１を流れる電流が作る磁場が鎖交して発生するローレンツ力が大きくなる大電流領域では、図３に示したアークＡの挙動は示さず、吸引棒３に直進する形態でアークＡは伸張することになる。その場合、図４に示すようにアークＡは吸引棒３によって分断され、吸引棒３が溶発することによる冷却効果によりアークＡ内部の抵抗が高まり、消弧に至る。その際、吸引棒３は、アーク接触により高温状態となるが、吸引棒３と永久磁石４の間に配置された熱伝導率の低いスペーサ５があるため、吸引棒３の熱は直接、永久磁石４に伝播しなくなる。これにより、永久磁石４の熱減磁を防止することが可能になり、小電流領域での磁気吸引力低下による遮断性能低下を防止することが可能になる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２の開閉装置は、吸引棒３を用いた消弧室形態で安定して遮断性能を改善させるための開閉装置であり、図５に基づいて説明する。

図５における吸引棒３では、可動接点１ａと固定接点２ａの近傍に位置する先端部に、絶縁保護カバー（保護カバー）６ｂが被覆され、当該先端部を保護している。
吸引棒３の先端部は、このように両接点（可動接点１ａと固定接点２ａ）間に近接しているため、両接点が開極してからアークＡに暴露され続けると、熱的負荷が高くなるが、絶縁保護カバー６ｂを吸引棒３の先端部に設けることで、熱的負荷による吸引棒３の溶融を防止でき、吸引棒３の形状変化を抑制することが可能になり、大電流遮断時における吸引棒３の消耗量を抑制することができる。これにより、遮断回数が増えても吸引棒３の磁気駆動力は低下しないため、遮断信頼性を向上させることが可能になる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３の開閉装置は、吸引棒３を用いた消弧室形態で安定して遮断性能を改善させるための開閉装置で、図６、図７に基づいてこの開閉装置を説明する。

図６における消弧室内の、吸引棒３の周辺空間部においては、磁性体からなる消弧板８が、吸引棒３を上下方向から挟む状態で保護カバー６によって保持されている。
このように構成することによって、大電流遮断時のアークＡは、直進することで吸引棒３によって分断、冷却されると共にこれら消弧板８によっても同様に分断、冷却されるので、遮断性能の更なる改善が見込め、大電流における遮断性能の更なる向上が可能となる。

図７は、図６に示した消弧板８の保持、配置の変形例であり、図７に示す磁性体からなる消弧板８ａは、その両側面が絶縁物からなる消弧側板９によって保持されている。
この図７の開閉装置でも、上記図６の開閉装置と同様の作用効果が奏することができる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：可動接触子、 １ａ：可動接点、 ２：固定接触子、 ２ａ：固定接点、
３：吸引棒、 ４：永久磁石、 ５：スペーサ、 ６：保護カバー、
６ｂ：絶縁保護カバー、 ７：磁気補強板、 ８、８ａ：消弧板、 ９：消弧側板、
１０：筐体、１００：開閉器、１０２：消弧室、１０３：ハンドル（開閉機構部）、
Ａ：アーク。

Claims (5)

1. 固定接点を有する固定接触子及び可動接点を有する可動接触子、上記固定接点と上記可動接点との開閉動作を行う開閉機構部、上記固定接点と上記可動接点との開離時に上記固定接触子と上記可動接触子間で発生したアークを伸張させる磁石、及び上記アークの発生部に延在させた一端部と、スペーサを介し上記磁石を面接合させた他端部とを有する吸引棒を備え、上記スペーサは、上記吸引棒よりも低い熱伝導率を有する部材で構成されていることを特徴とする開閉装置。
2. 上記スペーサは、磁性体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の開閉装置。
3. 上記スペーサは、断熱材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の開閉装置。
4. 上記吸引棒の先端部に、絶縁体からなる保護カバーが設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の開閉装置。
5. 上記吸引棒の周辺空間部に、磁性体からなる消弧板が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の開閉装置。

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