JP2017201623A - アーク移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気接点の間に生じたアークを捕らえるように機能するアーク消弧部を含む回路安全装置を提供すること。
【解決手段】回路安全装置は、アーク消弧部に向かってアークを駆動または付勢するように構成された2つの磁気透過性の磁極片１７０，１７０’に、対向する端部において結合される永久磁石１６０を含む。装置は、電力の使用を必要とせずに磁場によるアーク移動を可能にし、堅牢で軽量な設計を可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、概して、電気装置の保護に関し、より具体的には、製造コストを減少し、より小型で、より軽量な装置を提供するように、既知の方法よりも少ない部品点数を使用して、迅速に電気アークを消滅するように構成されたアーク消弧構造に関する。

回路安全装置は、電気回路を開き、電流の流れを遮断するために使用される電気構成部品である。回路安全装置の一例はスイッチであり、スイッチは、典型的には、閉状態または開状態のどちらかにあり、それによって電気回路を開閉する、2つの電気接点を含む。

回路安全装置の別の例は、回路遮断器である。回路遮断器は、例えば、付属の電気配線を流れ得る電流の大きさを制限するために、電気パネルにおいて使用され得る。回路遮断器は、過負荷、地絡、または短絡を含むが、それらに限定されるわけではない、電気回路に生じ得る様々な危険な故障状況によって引き起こされる損傷から電気回路を保護するように設計される。電力サージなどの故障状態が電気回路において起こった場合、遮断器がトリップして開き、それによって回路への電力の供給を遮断する。回路遮断器は、概して、配線を通じて送られる電流の大きさを、配線を損傷させないレベルに制限することによって、電気配線を保護するために提供される。回路遮断器は、過剰な電流を引き込み得る装置の破壊を防止することもできる。いくつかの一般的なタイプの回路安全装置には、熱磁気回路遮断器、逆転時間回路遮断器(inverse time circuit breaker)および即時引き外し回路遮断器(instantaneous-trip circuit breaker)がある。

大部分の回路遮断器は、電力会社の変圧器の二次側に電気的に接続された電力線などの電力源に接続可能な「ライン」端子を有する。さらには、大部分の回路遮断器は、回路遮断器が保護することを意図する回路(すなわち、配線)に電気的に接続可能な「負荷」端子をさらに含む。

典型的には、単極の回路安全装置は、ハウジングまたは筐体内に配置された2つの接点を有する。第1の接点は固定されており、ラインまたは負荷のどちらかに接続され得る。第2の接点は第1の接点に対して移動可能であり、回路遮断器が「オフ」またはトリップ位置にあるとき、第1および第2の接点の間に物理的な隙間が存在する。

上述の回路安全装置の問題点は、通電された接点が、負荷がかかっている間に、(電流が接点にわたって流れる)閉状態から(電流の流れが遮断される)開状態へと遷移するときに起こる。接点同士が離間して閉状態から開状態へと遷移するとき、または、その反対のとき、つまり接点が開状態から閉状態へと遷移するとき、接点が引き離されるにつれて電気アークが接点の間の隙間(物理的空間)に発生することがある。

回路安全装置の切り替えまたはトリップの間のアークの発生は、回路安全装置の全体的な動作に悪影響を与え、安全上の問題を潜在的に作り出すことさえある。

これらの悪影響は、回路安全装置の動作に不都合な結果をもたらし得る。1つのあり得る結果は、アークが、回路安全装置における他の物体および/または周囲の物体に短絡し得、損傷を与え、潜在的な火災または安全上の問題をもたらすことである。

アーク形成の別の結果は、アークのエネルギーが接点を損傷し、いくつかの材料を微粒子物質として大気中に逃がすことである。接点から溶け落ちた細片は、回路安全装置の機構へと移動、または、投入されて、機構を破壊したり、または、その稼働寿命を短くしたりすることがある。

アーク形成の別の影響は、アークの非常に高い温度(摂氏数万度)から生じ、これは、周囲のガス分子に影響を与えて、オゾン、一酸化炭素、および他の危険な化合物を作り出すことがある。アークは、周囲のガスをイオン化し、代替的な導電経路を潜在的に作り出すこともある。

これらの好ましくない影響のため、回路安全装置への損傷および上述の危険な状況を防止するために、アークを素早く冷却して消失させることは非常に重要である。

改良されたアーク消失について様々な技術が知られている。例えば、Carling Technologies, Inc.に譲渡された米国特許出願公開第2012/0037598号および第2012/0261382号は、アーク分割器(arc splitter)に向かってアークを導く電磁場の使用に様々に関連する。

しかしながら、アークを移動させるために電磁場を生成することは、典型的には、電力の使用を必要とし、装置において熱を生成する。これは、過剰な熱は放散される必要があるという観点から望ましくないが、さらに、これは追加的な電力の利用を必要とし、そのためシステムのエネルギー効率を低下させる。

したがって、上述の制限を克服した、回路安全装置とともに使用可能なアーク消失を提供することが望まれている。

米国特許出願公開第2012/0037598号 米国特許出願公開第2012/0261382号

したがって、回路安全装置の接点の間のアークを捕らえるように機能するアーク消弧部を有する回路安全装置を提供することが、1つの目的である。

アーク抑制を提供するが、電力を消費しない回路安全装置を提供することが、別の目的である。

アーク抑制を提供し、同時に、既知のシステムから、製造コストの低い堅牢で、軽量な装置を提供する回路安全装置を提供することが、さらなる目的である。

これらのおよび他の目的は、互いに対して移動可能で電気的に接触および離間する第1の接点および第2の接点と、アーク消弧部と、接点の間に生じたアークをアーク消弧部内に誘導するように設けられた単一の永久磁石とを含む回路安全装置を提供することによって達成される。

いくつかの実施態様において、アーク消弧部は、第1のアーク経路と第2のアーク経路とを備える。第1のアーク経路は、例えば、第2のアーク経路に実質的に平行な方向に延在し得る。

例として、回路安全装置は、回路安全装置内に配置された単一の永久磁石を含み得る。単一の永久磁石は、2つの端部を含み、第1の端部は正の極性を有し、第2の端部は負の極性を有する。さらには、それぞれが磁気透過性の材料から成る2つの磁極片が、一例において、第1の磁極片が正の極性を帯び、第2の磁極片が負の極性を帯びるように永久磁石の各端部と物理的に接触するように配置され得る。2つの磁極片は、単一の永久磁石に垂直に、および互いに対して実質的に平行に延在し、互いからわずかに離間して配置され得る。このように、磁極片の異なる極性に起因して、磁場は、磁極片の間に形成された隙間を横切って延在する。次いで、接点は、磁場が透過する隙間内に設置または配置され得る。

前記第1および第2の接点の近傍に生じたアークを消滅させるためのアーク消弧部が、接点の近傍において磁極片の間の隙間を透過する磁場の近くにさらに配置され得る。このように、磁場は、第1および第2の磁極片の間に形成された隙間を横切って延在して隙間を透過し、隙間において(例えば、接点の間に)アークが発生したときに、アークはアーク消弧部に向かう方向に付勢される。

いくつかの実施態様において、永久磁石は、中空の四角形状または他のなんらかの適切な形状でよい。永久磁石を使用することで、システムはいかなる電力も消費せずに磁場を生成することができる。同じように、電力が消費されないので、装置によって放熱されるべき付随的な熱もない。

永久磁石が1つだけ使用されるため、装置は比較的軽量であることに留意されたい。同じように、接点を包みこむために望ましいように磁場を「送出」し、維持するために磁極片が使用されるため、磁極片は永久磁石に接続された、典型的には鋼鉄製の不動部であるので、システムは非常に堅牢である。

またさらに、アークが第1の接点から放出されたかまたは第2の接点から放出されたかにかかわらず、アークがアーク消弧部に向かって送られるように、永久磁石よって生み出された磁場は、アークによって生み出された磁場(アークは電荷を有し、したがって関連する磁荷も有する)と相互干渉し得る。

いくつかの実施態様において、アーク消弧部は、アークを第1のアーク経路と第2のアーク経路とに分割するための少なくとも1つの板を備える。第1のアーク経路は第1の板を備え得、第2のアーク経路は、第1のアーク板とは異なる第2のアーク板を備え得る。第1のアーク経路および第2のアーク経路は、共通のアークランナを備え得る。回路安全装置は、第1のアーク経路の下に延在する第1のタブと第2のアーク経路の下に延在する第2のタブとを有する、第1の接点と電気的に接触した下方アークランナを含み得る。

一例において、アーク抑制を含む回路安全装置は、電源に電気的に接続可能な第1の接点と、負荷に電気的に接続可能な第2の接点とを含んで提供される。回路安全装置は、第1および第2の接点が、互いに対して閉位置と開位置との間で移動可能であるように提供される。回路安全装置は、第1および第2の接点の近傍に生じたアークを消滅させるためのアーク消弧部と、接点のうちの少なくとも一方に隣接して設けられた永久磁石であって、第1の磁気極性を有する第1の端部と、第1の磁気極性とは反対の第2の磁気極性を有する第2の端部とを有し、磁場を生成する永久磁石とをさらに含む。回路安全装置は、磁気透過性の材料から成る第1の磁極片と、磁気透過性の材料から成る第2の磁極片とをさらに含む。回路安全装置は、第1の磁極片が第1の磁気極性を有する第1の端部に隣接して配置され、第2の磁極片が第2の磁気極性を有する第2の端部に隣接して配置されるように提供される。最後に、回路安全装置は、磁場が、第1および第2の磁極片の間に形成された隙間を横切って延在し、隙間に発生したアークがアーク消弧部に向かう方向に引き付けられるように提供される。

本発明の他の目的ならびにその特定の特徴および利点は、以下の図面および添付の詳細な説明を検討することによってより明らかとなろう。

本発明の態様に従った例示的な回路安全装置の構成部品を示した図である。 本発明の態様に従った2つの磁極片、磁石、および保持部の分解図である。 図2に従った側面図である。 図3の断面A-Aに沿った断面図である。 図3の断面B-Bに沿った断面図である。 図1に従った俯瞰図である。

図1は、本発明の態様に従った磁気的アーク消滅機能を有する例示的な回路安全装置100の構成部品を示す。

回路安全装置100は、電気回路を形成および遮断するために使用され得る任意の装置であり得る。例えば、回路安全装置100はスイッチを備えてもよく、または、回路遮断器として実装されてもよいことは、当業者には明らかであろう。

回路安全装置100は、ライン端子(図示せず)に電気的に接続されている固定接点110を含む。ライン端子は、いくつかの用途においては電力会社によって供給される電源(図示せず)から、電力を受けとる。しかしながら、電力は、限定されるわけではないが、商用電力網、発電機、ソーラーパネル、燃料電池などを含む任意の商用手段によって提供および調節され得ることが、当業者には理解されよう。

可動接点120は、可動接点アーム140に設けられ、可動接点アーム140は、固定接点110に対して閉位置と開位置との間で移動可能である。図1では、接点アーム140は、可動接点120が固定接点110に物理的に接触した閉位置にあるところが図示されている。可動接点120が移動して固定接点110との物理的接触から解除されるように、接点アーム140は上方に移動され、回転軸の周りを回転し得ることが、当業者には理解されよう。

可動接点120は、導体150を通じて負荷端子130へと接続される。接点アーム140が、図示されているように閉位置にあるとき、可動接点120は、電流がライン端子と負荷端子との間を流れることができるように、固定接点110に電気的に接続される。

磁極片170および170'(図2〜図6)が、接点110、120の両側に設けられ得、接点110、120の間でアークが発生し得る領域を通る磁場を生み出すように配向され得る。永久磁石160が、固定接点110および可動接点120の下方にさらに配置され得、磁極片170、170'が永久磁石160の対向する端部と物理的に接触するように配向され得る。

接点アーム140は、回路安全装置100の所望の実施態様に応じて、スイッチ、トリップ機構、および/または任意の他の既知の機構(図示せず)を介して作動され得る。

磁極片170、170'は、それらが接点アーム140の移動を妨げることがないように配置される必要があることは理解されよう。このような配置は、接点110、120の間に生成されたアークの予想される移動経路にわたって所望の磁場の強さおよび方向を維持した磁場を作り出すという利点を提供する。図5に示された例においては、磁極片170および170'は、磁石160によって生み出された磁場が、一方の磁極片から他方の磁極片へと流れ、アークをアーク消弧部205に向かうように促すように配向される。

図2は、磁極片170、171および永久磁石160のための一構成例を示す回路安全装置100の一部分の分解図を提供する。この例において、2つの反転片172、172'を含む非磁性材料から成る構造が提供され、2つの反転片172、172'は、互いに対して本質的に平行に延びて、下端部において、これもまた非磁性材料から成る端部片174によって接続されている。2つの反転片172、172'および端部片174は、一例において、単一の単体構造から成ってよい。

反転片172'の外面には、磁極片170'を実質的に内部に受ける空洞部176'が設けられる。図示されていないが、対応する磁極片170を内部に受ける対応する空洞部が、反転片172の外面に設けられることを理解されたい。

反転片172の内面には、反転片172の長手方向長さを横断するように設けられた隆起した突起部178がある。図面においては5つの突起部178が示されているが、任意の数の突起部が設けられてよいことが、当業者には理解されるであろう。

永久磁石160が下方に設けられ、一例において、端部片174に固定される。磁極片170、170'は、磁極片170、170'の下端部が永久磁石160の対向する端部に接触するように、それらのそれぞれの反転片172、172'の空洞部内に嵌入される。このことは、磁極片170、170'を、それらが接続された永久磁石160の端部の磁気極性と一致するように帯磁させるように機能する。換言すれば、磁極片170、170'は、逆の極性を帯びる。

次に図3〜図5を参照すると、図3は、磁極片172'の側面図を示し、2つの断面図(A-AおよびB-B)がそこに示されている。

図4は、反転片172、172'の空洞部に嵌入された両磁極片170、170'に結合された永久磁石160を図示する、断面線A-Aに沿った図3に従った図である。この例において、反転片172、172'および端部片174は全て、単一の単体構造として非磁性材料から形成されている。同様に図4に図示されているのは、力の磁力線182であり、これは磁極片170、170'の間の隙間180に生じた磁場を示すために提供される。磁場182の機能は、図6に関連してより詳細に説明される。

図5は、両磁極片170、170'、および磁場182と隙間180に発生したアークとの相互作用を図示する、断面線B-Bに沿った図3に従った図である。

図6は、磁極片170、170'の上面図であり、接点110、120の間に生じたアークに対する磁場182の影響について示す。

例えば、図6において、固定接点110と可動接点120との間に生じたアーク500Aが示されている。アーク500Aを取り囲む電磁場510Aが、示されるように反時計回り方向に生じている。電磁場510Aは、磁場180と相互作用し、アーク500Aを矢印520Aによって示される方向(すなわち、図6における右方向)に移動させる。図1の対応する構造を参照すると、この移動は、アーク500Aをアーク消弧部205に向かって駆動し、消滅させる。

本発明は、部品、特徴などの特定の配置を参照して説明されてきたが、これらは、全ての可能な配置または特徴を説明し尽くすことは意図しておらず、実際には、多くの修正および変更が当業者によって確認され得るであろう。

100 回路安全装置
110 固定接点
120 可動接点
130 負荷端子
140 可動接点アーム
150 導体
160 永久磁石
170 磁極片
170' 磁極片
172 反転片
172' 反転片
174 端部片
176' 空洞部
178 突起部
180 隙間
182 磁場、力の磁力線
205 アーク消弧部
500A アーク
510A 電磁場

Claims (20)

1. アーク抑制を含む回路安全装置であって、
   電源に電気的に接続可能な第1の接点と、
   負荷に電気的に接続可能な第2の接点と
   を備え、
   前記第1および第2の接点は、互いに対して閉位置と開位置との間で移動可能であり、
   前記回路安全装置は、さらに、
   前記第1および第2の接点の近傍に生じたアークを消滅させるためのアーク消弧部と、
   前記第1および第2の接点のうちの少なくとも一方の近傍に設けられた永久磁石であって、前記永久磁石は、第1の磁気極性を有する第1の端部と、前記第1の磁気極性とは反対の第2の磁気極性を有する第2の端部とを有し、磁場を生成する、永久磁石と、
   磁気透過性の材料から成る第1の磁極片と、
   磁気透過性の材料から成る第2の磁極片と
   を備え、
   前記第1の磁極片は前記第1の磁気極性を有する前記第1の端部に隣接して配置され、前記第2の磁極片は前記第2の磁気極性を有する前記第2の端部に隣接して配置され、
   ここにおいて、前記磁場は、前記第1および第2の磁極片の間に形成された隙間を横切って延在し、前記隙間に発生したアークは前記アーク消弧部に向かう方向に引き付けられる、回路安全装置。
2. 前記第1および前記第2の磁極片は、実質的に平行に互いから離間して配置され、前記第1および前記第2の磁極片の間に隙間を形成する、請求項1に記載の回路安全装置。
3. 前記第1の接点および前記第2の接点は、前記隙間内に位置する、請求項2に記載の回路安全装置。
4. 第1の非磁極片と第2の非磁極片とをさらに備え、ここにおいて、前記第1の非磁極片は、前記隙間内で前記第1の磁極片と前記接点との間に配置され、前記第2の非磁極片は、前記隙間内で前記第2の磁極片と前記接点との間に配置される、請求項3に記載の回路安全装置。
5. 前記第1の非磁極片は、前記第1の磁極片の長手方向長さと実質的に等しい長手方向長さに延在し、前記第2の非磁極片は、前記第2の磁極片の長手方向長さと実質的に等しい長手方向長さに延在する、請求項4に記載の回路安全装置。
6. 前記第1および第2の非磁極片のそれぞれに垂直に延在し、前記永久磁石と前記接点との間に配置される磁石保持部をさらに備える、請求項5に記載の回路安全装置。
7. 前記第1および第2の非磁極片および前記磁石保持部は全て、非磁性構造から成る単一の単体構造として形成される、請求項6に記載の回路安全装置。
8. 前記第1および第2の非磁極片の外面はそれぞれ、前記第1および第2の非磁極片のそれぞれの外周の少なくとも一部分に延在する隆起した外周縁を有する空洞部を備える、請求項7に記載の回路安全装置。
9. 前記第1および第2の磁極片のそれぞれは、前記第1および第2の非磁極片のそれぞれの前記外面に位置する前記それぞれの空洞部内に配置される、請求項8に記載の回路安全装置。
10. 前記隆起した外周縁は、それらが、前記それぞれの空洞部内に配置される前記それぞれの磁極片の外側面と本質的に面一になるように、前記第1および第2の非磁極片の前記外面から上向きに延在する、請求項9に記載の回路安全装置。
11. 前記第1および第2の非磁極片の内面はそれぞれ、前記第1および第2の非磁極片の長手方向長さを横断する方向に延びる複数の隆起した部分を備える、請求項7に記載の回路安全装置。
12. 前記永久磁石は、矩形形状を有する単一の永久磁石から構成される、請求項1に記載の回路安全装置。
13. 前記第1および第2の磁極片はそれぞれ、鋼鉄から成る、請求項1に記載の回路安全装置。
14. 前記第1の磁極片は、第1の端部および第2の端部に規定される幅と長手方向長さとを有する平坦構造を備え、前記長手方向長さは前記幅よりも大きい、請求項1に記載の回路安全装置。
15. 前記第1の磁極片の前記第1の端部は、前記永久磁石の前記第1の端部の近傍に配置され、前記第1の磁極片の前記第1の端部の幅は、前記第1の磁極片の前記第2の端部の幅よりも大きい、請求項14に記載の回路安全装置。
16. 前記第1の磁極片は、前記永久磁石の前記第1の端部に接触して配置され、前記第2の磁極片は、前記永久磁石の前記第2の端部に接触して配置される、請求項1に記載の回路安全装置。
17. 前記アーク消弧部は、第1のアーク経路と第2のアーク経路とを備える、請求項1に記載の回路安全装置。
18. 前記第1のアーク経路は、前記第2のアーク経路に実質的に平行な方向に延在する、請求項17に記載の回路安全装置。
19. 前記第1のアーク経路は、前記第2のアーク経路に実質的に垂直な方向に延在する、請求項17に記載の回路安全装置。
20. 前記第1および第2の接点は、上下に重なって配置され、前記永久磁石は、前記第1および第2の接点の両者の下方に配置される、請求項1に記載の回路安全装置。

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