JP2016167389A - 電磁引き外し装置および回路遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ始動電流領域での動作時間が従来に比べて遅く、低過電流領域及び短絡電流領域での動作時間が従来と同等である、電磁引き外し装置および回路遮断器を提供する。【解決手段】シリンダ１とプランジャ２と制動ばねとポールヘッド４と電磁コイル５とヨーク６とアマチュア７とを備え、前記ヨーク６と前記ポールヘッド４との間に設けられるとともに、前記ヨーク６に接続され、前記ヨーク６から前記ポールヘッド４へ向かって延びてなる磁性体片８を備えることで、モータ始動電流領域での動作時間を遅延させる。【選択図】図２

Description

本発明は、電磁引き外し装置および回路遮断器に関する。

従来より、時延引外し要素としてオイルダッシュポット付き電磁石を用いた回路遮断器が知られている。（例えば、特許文献１を参照）。

すなわち、特許文献１に示された電磁引き外し装置では、電磁コイルに過電流が流れると磁性材であるプランジャが制動ばね（特許文献１の「ばね５３」に相当）のばね力に打ち勝ってポールヘッド側に動く。そして、ポールヘッドに接近するとプランジャの磁束量が大きくなり、磁性材であるアマチュア（特許文献１の「操作棒６２ａ」に相当）はポールヘッド側により強く吸引される。そして、アマチュアは回転運動し、配線用遮断器のラッチを外す。ラッチが外れることで、回路遮断器はトリップする。

オイルダッシュポット付き電磁石では、シリンダ内の制動油の粘性抵抗によるプランジャの制動を利用して反限時特性が得られる。一方、非常に大きな電流が流れると磁束が増大するため、プランジャがほとんど動かない状態でもアマチュアは瞬時に吸引され、回路遮断器はトリップする。

特開２０１３−１４５６４３号公報

ところで、従来のモータに比べ、近年のトップランナーモータは、始動電流が大きい。したがって、上記従来の回路遮断器では始動時に誤動作する可能性がある。そのため、モータ始動電流領域での動作時間のみを遅延させることができれば良い。即ち、始動電流領域（定格電流に対し、６〜８倍程度）での動作時間を従来に比べて遅くし、低過電流領域（定格電流に対し、１．２５〜２倍程度）及び短絡電流領域（定格電流の約１５倍以上）での動作時間を従来と同等にできれば良い。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであって、始動電流領域での動作時間が従来に比べて遅く、低過電流領域及び短絡電流領域での動作時間を従来と同等とすることで、モータ始動電流が大きい場合の誤動作を防止することができる、引き外し装置および回路遮断器を提供することを目的とする。

本発明の電磁引き外し装置は、有底円筒状の非磁性材からなるシリンダと、磁性材からなり、前記シリンダ内部に設けられたプランジャと、前記プランジャを前記シリンダの底部となる後端側に向けて押す制動ばねと、磁性材からなり前記シリンダの前端側の開口を密閉するポールヘッドと、前記シリンダを巻くように設けられた電磁コイルと磁性材からなり、前記電磁コイルの外側に設けられ、前記シリンダの軸方向と平行に配置された平行片と、前記平行片の後端側から前記シリンダに向かって延びる直角片とを有するヨークと、磁性材からなり、前記ポールヘッド側へ回転運動できるような形で、前記平行片の前端側に接続されているアマチュアと、を備え、前記ヨークと前記ポールヘッドとの間に設けられるとともに、前記平行片の前端側に接続され、前記アマチュアより後端側で前記ヨー
クから前記ポールヘッドへ向かって延びる磁性体片を備えることを特徴とする。

本発明の回路遮断器は、上記電磁引き外し装置を備えたことを特徴とする。

本発明では、モータ始動電流が大きい場合の誤動作を防止することができる、引き外し装置および回路遮断器を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電磁引き外し装置１００の基本構成図である。 同実施形態に係る電磁引き外し装置１００の断面図である。 低過電流領域の場合の同実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を説明するための断面図である。 低過電流領域の場合の同実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を説明するための断面図である。 始動電流領域の場合の同実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を説明するための断面図である。 短絡電流領域の場合の同実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を説明するための断面図である。 同実施形態に係る電磁引き外し装置１００の磁性体片８を示した斜視図である。 磁性体片８の作用を説明するための断面図である。 同実施形態に係る電磁引き外し装置を回路遮断器に搭載したときの構成図である。

以下、本発明の一実施形態に係る電磁引き外し装置１００について、図１、図２、図７を用いて説明する。
＜構成＞
図１は、本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の基本構成図である。図１に示すように、電磁引き外し装置１００は、有底円筒状の非磁性材からなるシリンダ１と、シリンダ１の内部に設けられたプランジャ２と、プランジャ２をシリンダ１の底部となる後端側に向けて押す制動ばね３と、シリンダ１を密閉するポールヘッド４と、シリンダ１を巻くように設けられた電磁コイル５と、略Ｌ字型の磁性材からなるヨーク６と、磁性材からなりポールヘッド４側へ回転運動可能なアマチュア７とからなる。

プランジャ２は断面が略円形である略軸対称形状であり、制動ばね３の一端が接触する径が太い部分（太径部２ａ）と、制動ばね３の内径より径が細い突出部２ｂとからなる。突出部２ｂは、制動ばね３の内側に入り込む構成になっている。

シリンダ１の底部と反対側には、ポールヘッド４が設けられ、プランジャ２と制動ばね３は、シリンダ１とポールヘッド４が囲む空間に収納される。通常、シリンダ１とポールヘッド４が囲む空間は、密閉状態であり、オイルなどの液体が充填されているが、本発明は、液体が充填されていない構成も含むものである。

ヨーク６は、略Ｌ字型の磁性材からなり、シリンダ１の軸に対して平行に配置された平行片６ａとシリンダ１の軸に対して直角方向に延びる直角片６ｂを有する。また、直角片６ｂは、平行片６ａの後端側からプランジャ２側に向かって延びており、シリンダ１に接続されている。なお、本発明では、ヨーク６は後述するようにプランジャ２と磁路を形成するように配置されていればよく、シリンダ１に必ずしも固定されていなくてもよい。

電磁コイル５は、プランジャ２とヨーク６に挟まれる形で、シリンダ１を巻くように設けられている。また、電磁コイル５は、主電路１１に接続されている。本実施形態では、電磁コイル５と主電路１１は同一部材で一体構成されている。なお、本発明では、電磁コイル５と主電路１１が別部材であり、電気的に接続された構成であってもよい。

アマチュア７は、磁性材からなる。アマチュア７は、ポールヘッド４側へ回転運動できるような形で、ヨーク６の平行片６ａに接続されている。

本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の磁性体片８の形態を図２、図７に基づいて説明する。図２は、電磁引き外し装置１００の断面を示したものである。また、図２では構成を理解し易くするため、制動ばね３の図示は省略した。

図２に示すように、磁性体片８は、ヨーク６とポールヘッド４との間に設けられている。また、磁性体片８は、ヨーク６の平行片６ａに接続されており、ヨーク６からポールヘッド４へ向かって延びている。磁性体片８とヨーク６とは、溶接、ロー付け、かしめ、接着などで接続されている。

また、図２に示すように本実施形態に係る電磁引き外し装置１００では、磁性体片８は、ポールヘッド４より後端側に位置する。磁性体片８をポールヘッド４より後端側に設けることで、アマチュア７が回転運動する際に、アマチュア７と磁性体片８とが干渉しない構成とすることができる。

本発明に係る磁性体片８では、磁性体片８の材質は、ヨーク６と同じであるか否かは問わない。また、磁性体片８とヨーク６とは必ずしも溶接などで接続されている必要はなく、磁性体片８とヨーク６とが一体形成されていてもよい。
＜動作＞
以下、電磁コイル５に流れる電流が低過電流領域の場合における本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を図２乃至図４に基づいて説明する。なお、図２乃至図４では構成を理解し易くするため、制動ばね３の図示は省略した。

電磁コイル５に電流が流れると、磁束が形成される。磁束は、ポールヘッド４とアマチュア７とヨーク６とプランジャ２とによって形成される磁路を通過する。図２に示すように、ポールヘッド４とプランジャ２の突出部２ｂとの間にはギャップが形成されているので、ポールヘッド４とプランジャ２との間には磁気吸引力が働く。即ち、プランジャ２には、ポールヘッド４側に移動する方向の力が働く。

プランジャ２に働く磁気吸引力が、制動ばね３がプランジャ２を押す力より大きくなると、プランジャ２はポールヘッド４側に移動し始める。プランジャ２の移動に伴い、ポールヘッド４とプランジャ２（突出部２ｂ）の間のギャップは小さくなる。ギャップが小さくなれば、ポールヘッド４とアマチュア７とヨーク６とプランジャ２とによって形成される磁気回路の抵抗は小さくなるので、磁束は大きくなる。

磁束が大きくなることで、更にプランジャ２に働く磁気吸引力が大きくなり、ポールヘッド４とプランジャ２の間のギャップが更に小さくなる。以上の繰り返しによりギャップは徐々に小さくなっていくとともに、磁束は大きくなっていく。低過電流領域の場合は、図３に示すように、プランジャ２の突出部２ｂがポールヘッド４と接触又は近接する位置にまで達すると、アマチュア７にもポールヘッド４側に向かう大きな吸引力が働き、アマチュア７は回転運動する。そして、図４に示すように、アマチュア７はポールヘッド４側に吸着される。回路遮断器の機構部のラッチ５０（図９参照）がアマチュア７によって押されると、回路遮断器は動作する。

以下、電磁コイル５に流れる電流が始動電流領域の場合における本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を図５に基づいて説明する。なお、図５では構成を理解し易くするため、制動ばね３の図示は省略した。

電磁コイル５に電流が流れると、磁束が形成される。磁束は、ポールヘッド４とアマチュア７とヨーク６とプランジャ２とによって形成される磁路を通過する。ポールヘッド４とプランジャ２との間、及びアマチュア７とポールヘッド４との間には、それぞれギャップが形成されている。従って、電磁コイル５に電流が流れると、磁気吸引力により、プランジャ２及びアマチュア７には、ポールヘッド４側に移動する方向の力が働く。

低過電流領域の場合に比べ、始動電流領域の場合は、電磁コイル５に流れる電流が大きいので、より大きな磁束が得られる。即ち、ポールヘッド４とプランジャ２との間のギャップがある程度小さくなれば、アマチュア７はポールヘッド４側に移動し始める。始動電流領域の場合、ポールヘッド４とプランジャ２との間のギャップが、無通電の場合のギャップの約７０％になった場合（図５参照）、アマチュア７は、回転運動する。そして、アマチュア７は、回路遮断器の機構部のラッチ５０を押し、回路遮断器は動作する。

以下、電磁コイル５に流れる電流が短絡電流領域の場合における本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を図６に基づいて説明する。なお、図６では構成を理解し易くするため、制動ばね３の図示は省略した。

電磁コイル５に流れる電流が短絡電流領域の場合は、ポールヘッド４とプランジャ２との間のギャップが小さくならなくとも大きな磁束が得られ、通電開始から比較的短い時間で、アマチュア７は回転運動し、ポールヘッド４側に吸着される。一方、プランジャ２は、シリンダ１内部に存在する流体の粘性の影響で、アマチュア７ほど短い時間では動作することはできない。従って、アマチュア７が回転運動し、ポールヘッド４側に吸着されたときには、プランジャ２は、図６に示すように、まだシリンダ１の底側に停留している状態になっている。
＜作用＞
以下、本実施形態の磁性体片８の作用を図８に基づいて説明する。なお、図８では構成を理解し易くするため、制動ばね３の図示は省略した。

電磁コイル５に電流が流れると、磁束が形成される。磁束は、ポールヘッド４とアマチュア７とヨーク６とプランジャ２とによって形成される主磁路Ｌ１（図８で実線で図示）と、ポールヘッド４と磁性体片８とヨーク６とプランジャ２とによって形成される副磁路Ｌ２（図８で破線で図示）を通過する。

主磁路Ｌ１を通過する磁束と副磁路Ｌ２を通過する磁束とを比較する。アマチュア７とポールヘッド４の前端側の面とは対向している。一方、図７や図８に示すように、平面である磁性体片８の外縁と、曲面であるポールヘッド４の外縁とが、対向している。したがって、アマチュア７とポールヘッド４との対向面積に比べると、磁性体片８とポールヘッド４との対向面積は小さい。従って、主磁路Ｌ１を通過する磁束に比べると、副磁路Ｌ２を通過する磁束は小さい。

ここで、プランジャ２が後端側に位置するとき（図２や図８参照）の磁束について述べる。プランジャ２が後端側に位置するときは、ポールヘッド４とプランジャ２との間のギャップは大きい。したがって、ポールヘッド４とプランジャ２との間のギャップ部分の磁気抵抗は大きい。ポールヘッド４、アマチュア７、ヨーク６、プランジャ２は磁性材なので、磁気抵抗は小さい。したがって、コイル内部を通過する磁束の量、すなわち、主磁路
Ｌ１と副磁路Ｌ２を通過する磁束の総量は、ポールヘッド４とプランジャ２との間のギャップに大きく依存する。

磁性体片８がある場合、コイル内部を通過する磁束の一部は副磁路Ｌ２を通過する。一方、磁性体片８が無い場合は、コイル内部を通過する磁束の大部分は、主磁路Ｌ１のみを通過する。したがって、プランジャ２が後端側に位置するときは、磁性体片８を設けることで、主磁路Ｌ１を通過する磁束の量は小さくなる。

上述したように、通電時、アマチュア７には、主磁路Ｌ１を通過する磁束の影響で、ポールヘッド４側に回転運動するような吸引力が働く。図８のようにプランジャ２が後端側に位置するときは、磁性体片８を設けることで、主磁路Ｌ１を通過する磁束の量が小さくなるので、アマチュア７に働く吸引力は小さくなる。したがって、磁性体片８を設けることで、アマチュア７に働く吸引力を弱めることができ、回路遮断器の動作時間を遅延させることができる。
＜効果＞
以下、本実施形態の電磁引き外し装置の効果について述べる。比較例となる電磁引き外し装置は、磁性体片８を有しないものである。

低過電流領域では、比較例となる電磁引き外し装置に比べ、本実施形態の電磁引き外し装置の場合、副磁路Ｌ２を通過する磁束の影響で、通電開始から突出部２ｂがポールヘッド４と接触又は近接する位置（図３に図示）に達するまでの時間が、１０秒程度（定格電流に対し、２倍程度の通電の場合）〜２０秒程度（定格電流に対し、１．２５倍程度の通電の場合）遅延する。

図３に示すようにプランジャ２の突出部２ｂがポールヘッド４と接触又は近接する位置にまで達すると、ポールヘッド４とプランジャ２との間のギャップは非常に小さくなる。したがって、主磁路Ｌ１において、磁気抵抗が大きい部分は、ポールヘッド４とアマチュア７との間のギャップである。主磁路Ｌ１を通過する磁束の総量は、磁気抵抗が大きい部分である、ポールヘッド４とアマチュア７との間のギャップに大きく依存する。つまり、図３に示すようにプランジャ２が前端側に位置するときは、主磁路Ｌ１を通過する磁束の総量は、磁性体片８の有無には依存しない。したがって、図３に示すようにプランジャ２の突出部２ｂがポールヘッド４と接触又は近接する位置にまで達した後は、アマチュア７に働く吸引力は、磁性体片８の有無には依存しない。

一方、比較例の電磁引き外し装置を搭載したブレーカは、通電開始から１分程度（定格電流に対し、２倍程度の通電の場合）〜６分程度（定格電流に対し、１．２５倍程度の通電の場合）でトリップ動作する。

従って、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載したブレーカの場合は、通電開始から突出部２ｂがポールヘッド４と接触又は近接する位置に達するまでの時間を考慮すると、通電開始から１分１０秒程度（定格電流に対し、２倍程度の通電の場合）〜６分２０秒程度（定格電流に対し、１．２５倍程度の通電の場合）でトリップ動作することになる。

すなわち、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載したブレーカの場合は、比較例の電磁引き外し装置の場合に比べ、低過電流領域での動作時間は１０％程度遅くなるものの、ほぼ同等の動作時間が得られる。

始動電流領域では、比較例となる電磁引き外し装置に比べ、本実施形態の電磁引き外し装置の場合、副磁路Ｌ２を通過する磁束の影響で、通電開始からアマチュア７のポールヘッド４側への回転運動開始までの時間が３秒程度遅延する。

一方、比較例の電磁引き外し装置を搭載したブレーカは、通電開始から３秒程度（定格電流に対し、８倍程度の通電の場合）〜７秒程度（定格電流に対し、６倍程度の通電の場合）でトリップ動作する。

よって、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載したブレーカは、通電開始から６秒程度（定格電流に対し、８倍程度の通電の場合）〜１０秒程度（定格電流に対し、６倍程度の通電の場合）でトリップ動作する。

従って、比較例の電磁引き外し装置の場合に比べ、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載したブレーカの場合は、始動電流領域での動作時間は２００％程度となり遅くなる。

短絡電流領域では、電流が非常に大きいので、電磁コイル５によって発生する磁束は非常に大きい。よって、アマチュア７に作用する磁気吸引力は、非常に大きく、通電開始からアマチュア７のポールヘッド４側への回転運動開始までの時間は、磁性体片８の有無には依存しない。従って、本実施形態の電磁引き外し装置を回路遮断器に搭載した場合、短絡電流領域では、回路遮断器の動作時間は、比較例と同等になる。

ここで、回路遮断器に、近年のトップランナーモータが接続された場合のモータの始動時について述べる。近年のトップランナーモータの始動電流は、定格電流の６倍〜８倍で、通電継続時間は通常３秒以上６秒以下である。したがって、トップランナーモータ始動時には、比較例の電磁引き外し装置を搭載したブレーカでは、誤動作する可能性がある。一方、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載したブレーカでは、上述したとおりの動作時間であるから、誤動作は生じない。

したがって、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載することで、モータ始動電流が大きい場合の誤動作を防止することができる。

また、磁性体片８を、ヨーク６より磁気飽和密度が高い材質とすることで、動作時間の遅延効果をより高めることができる。

図９に本実施形態に係る電磁引き外し装置１００を搭載した回路遮断器の構成図を示す。ハンドル５２を操作することで、接点５３は閉じ、閉路状態になる。過電流が流れると、アマチュア７がプランジャ２側に移動し、アマチュア７はラッチ５０を押す。ラッチ５０が押されることで、メカ５１は動作し、接点５３が開極する。
（結び）
以上のように、本発明における技術の例示として、実施形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

１ シリンダ
２ プランジャ
２ａ 太径部
２ｂ 突出部
３ 制動ばね
４ ポールヘッド
５ 電磁コイル
６ ヨーク
６ａ 平行片
６ｂ 直角片
７ アマチュア
８ 磁性体片
５０ ラッチ
５１ メカ
５２ ハンドル
５３ 接点
Ｌ１ 主磁路
Ｌ２ 副磁路
１００ 電磁引き外し装置

Claims (6)

1. 有底円筒状の非磁性材からなるシリンダと、
   磁性材からなり、前記シリンダ内部に設けられたプランジャと、
   前記プランジャを前記シリンダの底部となる後端側に向けて押す制動ばねと、
   磁性材からなり前記シリンダの前端側の開口を密閉するポールヘッドと、
   前記シリンダを巻くように設けられた電磁コイルと
   磁性材からなり、前記電磁コイルの外側に設けられ、前記シリンダの軸方向と平行に配置された平行片と、前記平行片の後端側から前記シリンダに向かって延びる直角片とを有するヨークと、
   磁性材からなり、前記ポールヘッド側へ回転運動できるような形で、前記平行片の前端側に接続されているアマチュアと、を備え、
   前記ヨークと前記ポールヘッドとの間に設けられるとともに、前記平行片の前端側に接続され、前記アマチュアより後端側で前記ヨークから前記ポールヘッドへ向かって延びる磁性体片を備えることを特徴とする電磁引き外し装置。
2. 前記磁性体片は、前記ポールヘッドより後端側に位置することを特徴とする請求項１に記載の電磁引き外し装置。
3. 前記磁性体片の磁気飽和密度は、前記ヨークの磁気飽和密度より大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁引き外し装置。
4. 前記磁性体片と前記ヨークとが同じ材質で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁引き外し装置。
5. 前記磁性体片と前記ヨークとが一体に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の電磁引き外し装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁引き外し装置を備えた回路遮断器。