JP2019012655A

JP2019012655A - ガス密閉型電磁接触器

Info

Publication number: JP2019012655A
Application number: JP2017129404A
Authority: JP
Inventors: 雄二柴; Yuji Shiba; 孝次村上; Koji Murakami; 雅祥中野; Masayoshi Nakano
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-24
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: JP6926732B2

Abstract

【課題】ガス密閉型電磁接触器において、接点表面の融点の低い材料（銅や銀など）が消耗しやすいという問題を解決し、接触抵抗を長期に亘って低く維持できるようにする。【解決手段】固定接点２８及び可動接点２９は、高融点接点材料５２と、該高融点接点材料よりも低融点の低融点接点材料５１とが混合した混合層５０と、前記低融点接点材料のみからなる低融点層５３とが接合されて構成されており、前記混合層が前記固定接点及び前記可動接点の表面側に配置され、前記低融点層は、前記混合層の内側に配置されていて、前記混合層が相手方接点に接離するように構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、固定接点を有する固定接触子と、可動接点を有する可動接触子とが、ガスを封入された消弧室に配置されてなるガス密閉型電磁接触器に関する。

ガス密閉型電磁接触器は、接点部が密閉容器内に封止され、この密閉容器には、遮断性能を高める水素ガスなどが封入されているので、より小さな製品寸法で高電圧・大電流の遮断が可能となるという利点を有している。また、密閉容器内で接点を開閉することで、製品外部にアークの火花が飛び散らないため、火災などの心配がなく、外部からもゴミが入らないので安全性や接触信頼性に優れている。

一方、下記特許文献１には、Ｃｕよりも高融点を有する金属材料、又はＣｕよりも高気化熱を持つ金属材料を少なくとも１種含有させたＣｕＷ合金からなる接点用部材と、Ｃｕ又はＣｕを主成分とする合金、あるいは鋼又は鋼を主成分とする合金からなる導体とから構成され、該双方の部材の接合面にＣｕ又はＣｕ合金からなる層を介在させ、部材同士が一体に接合されてなるアーク接触子が開示されている。

また、下記特許文献２には、仮焼結体に当該仮焼結体よりも融点の低い溶浸材を含浸して接点材料を製造する方法において、上記仮焼結体の下面中央に凹部を形成し、この凹部に導電性金属を配置すると共に、上記仮焼結体上面には溶浸材を配置し、この上面溶浸材を加熱することで上記仮焼結体に含浸させて接点材料を得ることを特徴とする接点材料の製造方法が開示されている。

特開２００１−１３８０６９号公報特開平６−２０３６９２号公報

ガス密閉型電磁接触器は、前述したような優れた特徴を有しているが、密閉容器内に、遮断性能を高める水素ガスなどが封入されているので、接点表面の融点の低い材料（銅や銀など）が消耗しやすいという問題があった。そして、融点の低い材料が消耗すると、融点の高い材料（タングステン、クロムなど）のみが残存し、接触抵抗が大きくなるという問題があった。

上記特許文献１には、ＣｕＷ合金からなる接点用部材と、Ｃｕ又はＣｕを主成分とする合金、あるいは鋼又は鋼を主成分とする合金からなる導体とから構成され、該双方の部材の接合面にＣｕ又はＣｕ合金からなる層を介在させ、部材同士が一体に接合されてなるアーク接触子が開示されているが、ガス密閉型電磁接触器の接触子として用いることについては開示されていない。

また、上記特許文献２には、仮焼結体の下面中央に凹部を形成し、この凹部に導電性金属を配置すると共に、上記仮焼結体上面には溶浸材を配置し、この上面溶浸材を加熱することで上記仮焼結体に含浸させて接点材料を得ることが記載されているが、真空バルブの接点材料の製造方法に関するものであり、ガス密閉型電磁接触器の接触子として用いることについては開示されていない。

したがって、本発明の目的は、ガス密閉型電磁接触器において、接点表面の融点の低い材料（銅や銀など）が消耗しやすいという問題を解決し、接触抵抗を長期に亘って低く維持できるようにすることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、固定接点を有する固定接触子と、可動接点を有する可動接触子とが、ガスを封入された消弧室に配置されてなるガス密閉型電磁接触器において、前記固定接点及び前記可動接点は、高融点接点材料と、該高融点接点材料よりも低融点の低融点接点材料とが混合した混合層と、前記低融点接点材料のみからなる低融点層とが接合されて構成されており、前記混合層が前記固定接点及び前記可動接点の表面側に配置され、前記低融点層は、前記混合層の内側に配置されていて、前記混合層が相手方接点に接離するように構成されていることを特徴とするガス密閉型電磁接触器を提供するものである。

本発明によれば、混合層中の低融点接点材料の消耗に伴って、低融点層の低融点接点材料が溶融して混合層に移動するので、混合層中の低融点接点材料が補充され、長期に亘って接触抵抗を良好に維持することができる。

本発明においては、前記混合層の裏面側中央部に凹部が形成されており、前記低融点層は、該凹部に充填されていることが好ましい。この態様によれば、混合層の裏面側中央部に形成された凹部に低融点層が充填されているので、混合層の全体にまんべんなく低融点層から低融点接点材料を補充することができ、接触抵抗の増大をより効果的に抑制することができる。

また、前記混合層は、前記高融点接点材料を９０〜１０質量％、前記低融点接点材料を１０〜９０質量％含有することが好ましい。この態様によれば、固定接点と可動接点の接触抵抗を低くすると共に、耐久性を向上させることができる。

また、前記混合層は、前記高融点接点材料を４０〜６０質量％、前記低融点接点材料を６０〜４０質量％含有することが好ましい。この態様によれば、固定接点と可動接点の接触抵抗を低くすると共に、耐久性を更に向上させることができる。

また、前記消弧室に封入されるガスは、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスからなることが好ましい。この態様によれば、消弧室に封入されるガスとして、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いることにより、アークに対する冷却効果を高めて消弧能力を高めることができる。一方、特に水素ガスは、低融点接点材料の消耗を早める傾向があるが、本発明においては、混合層中の低融点接点材料の消耗に伴って、低融点層の低融点接点材料が溶融して混合層に移動するので、接触抵抗を良好に維持することができる。

更に、前記消弧室に封入されるガスは、水素ガスを３０％（ｖ／ｖ）以上含有することが好ましい。消弧室に封入されるガスとして、水素ガスを３０％（ｖ／ｖ）以上含有するものを用いることにより、アークに対する冷却効果を高めて消弧能力を高めることができる。一方、特に水素ガスは、低融点接点材料の消耗を早める傾向があるが、本発明においては、混合層中の低融点接点材料の消耗に伴って、低融点層の低融点接点材料が溶融して混合層に移動するので、接触抵抗を良好に維持することができる。

更にまた、前記混合層の厚さは、０．２〜１ｍｍであることが好ましい。この態様によれば、混合層の厚さが０．２〜１ｍｍであることにより、低融点層に熱が伝わりやすくなり、混合層中の低融点接点材料の消耗に伴って、低融点層の低融点接点材料が溶融して、混合層に移動しやすくすることができる。

更にまた、前記混合層と前記低融点層とからなる前記固定接点及び前記可動接点の全体の厚さが、０．５〜３ｍｍであることが好ましい。この態様によれば、固定接点及び可動接点の強度を保持し、接触抵抗を良好に維持することができる。

本発明が適用されるガス密閉型電磁接触器の一例を示す概略断面図である。本発明のガス密閉型電磁接触器における固定接触子と可動接触子とを模式的に示す斜視図である。本発明のガス密閉型電磁接触器における接点の構造を模式的に示す断面図である。実施例１のガス密閉型電磁接触器の電流時間積（ＡＳ）による接触抵抗（ｍΩ）の変化を測定した結果を示す図表である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

図１には、本発明が適用されるガス密閉型電磁接触器の一例が示されている。なお、このガス密閉型電磁接触器１０の構造は、例えば特開２０１６−２０１３０４号に詳しく説明されているので、ここでは、その要部について簡単に説明する。

このガス密閉型電磁接触器１０は、接点機構２０と、接点機構２０を駆動する電磁石ユニット３０と、接点機構２０を収納する密封された消弧室４０とを備えている。

接点機構２０は、第１固定接触子２１と、第２固定接触子２２と、可動接触子２３とを有している。可動接触子２３は、可動プランジャ２４に装着された連結軸２５に支持されて取付けられている。可動プランジャ２４は、復帰スプリング２６によって上方に付勢されている。また、可動接触子２３は、接触スプリング２７によって、下方に付勢されており、第１固定接触子２１及び第２固定接触子２２に接触する際には、接触スプリング２７を圧縮させて弾性的に接触するようになっている。

電磁石ユニット３０は、可動プランジャ２４の下部外周に配置された励磁コイル３１と、可動プランジャ２４の上部外周に配置された永久磁石３２とを有している。

消弧室４０は、金属製の角筒体４１と、その内側に配置された絶縁筒体４２と、角筒体４１の上端にその下面が接合された固定接点支持絶縁基板４３と、角筒体４１の下面に接合された磁気ヨーク４４とで囲まれて封止されている。なお、角筒体４１の外周には、アーク消弧用永久磁石４５が配置されている。

消弧室４０の内部には、水素ガス、窒素ガス、水素及び窒素の混合ガス、空気、ＳＦ₆等のガスが充填されている。消弧室４０に充填するガスは、特に限定されないが、アークに対する冷却効果を高めて消弧能力を高める上で、水素ガスを含有することが好ましく、水素ガスを３０％（ｖ／ｖ）以上含有することがより好ましい。また、耐電圧確保のため、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスが好ましく用いられる。

図２に示すように、固定接触子２１，２２には固定接点２８が接合されており、可動接触子２３には可動接点２９が接合されている。

このガス密閉型電磁接触器１０の動作について説明すると、電磁石ユニット３０の励磁コイル３１が非励磁状態にあって、電磁石ユニット３０で可動プランジャ２４を下降させる吸引力を発生していない釈放状態にある場合は、可動プランジャ２４が復帰スプリング２６の付勢力及び永久磁石３２の吸引力によって上昇した位置にあり、可動接触子２３が第１固定接触子２１及び第２固定接触子２２に接触せず、接点は開いて開極状態になる。

次に、電磁石ユニット３０の励磁コイル３１に通電がなされると、電磁石ユニット３０で吸引力が発生し、可動プランジャ２４が、復帰スプリング２６の付勢力及び永久磁石３２の吸引力に抗して下降する。その結果、可動接触子２３も下降し、可動接触子２３に設けられた可動接点２９（図２参照）が、第１固定接触子２１及び第２固定接触子２２のそれぞれに設けられた固定接点２８に接触して、第１固定接触子２１及び第２固定接触子２２を導通させる。その結果、電力供給源の大電流が、第１固定接触子２１、可動接点２９、固定接点２８を通して、負荷装置に供給される閉極状態となる。

そして、再び電磁石ユニット３０の励磁コイル３１への通電を解除すると、電磁石ユニット３０の可動プランジャ２４に対する下方への吸引力がなくなり、復帰スプリング２６の付勢力及び永久磁石３２の吸引力によって、可動プランジャ２４が上昇して、可動接触子２３が第１固定接触子２１及び第２固定接触子２２から離れて、接点が開いて開極状態になる。このとき、固定接触子２１，２２の固定接点２８と、可動接触子２３の可動接点２９との間にアークが発生し、このアークは、アークの電流の流れと、アーク消弧用永久磁石４５で発生した磁束との関係から、フレミング左手の法則により発生したローレンツ力によって引き延ばされて消弧する。

このとき、固定接点２８及び可動接触子２３の材料となっている低融点の金属が昇華して低融点金属が消耗するという問題がある。この低融点金属の消耗は、消弧室４０に充填するガスが、アークに対する冷却効果が高い水素ガスを含有する場合に特に激しくなる傾向がある。本発明は、このような問題点を解決するため、固定接触子２１，２２の固定接点２８、及び可動接触子２３の可動接点２９の構造を、例えば下記のような構造にした点を特徴としている。

すなわち、図３に示すように、本発明における固定接点２８，可動接点２９は、高融点接点材料５２と、該高融点接点材料５２よりも低融点の低融点接点材料５１とが混合した混合層５０と、低融点接点材料のみからなる低融点層５３とが接合されて構成されており、前記混合層５０が固定接点２８及び可動接点２９の表面側に配置され、前記低融点層５３は、前記混合層５０の内側に配置されていて、前記混合層５０が相手方接点に接離するように構成されている。

そして、この実施形態の場合は、混合層５０の裏面側中央部に凹部が形成されており、低融点層５３は、該凹部に充填されている。このような構造とすることにより、混合層５０の裏面側中央部に形成された凹部に低融点層５３が充填されているので、混合層５０の全体にまんべんなく低融点層５３から低融点接点材料を補充することができ、接触抵抗の増大をより効果的に抑制することができる。

ただし、本発明における固定接点２８，可動接点２９の構造は、上記構造に限定されるものではなく、例えば板状に形成された混合層５０の下面に、同じく板状に形成された低融点層５３が積層された形状であってもよい。

上記高融点接点材料５２としては、例えば、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、タングステンカーバイト（ＷＣ）などが好ましく使用される。また、低融点接点材料５１、低融点層５３（以下両者の材料を「低融点接点材料」とする）としては、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）などが好ましく使用される。

混合層５０の製造方法としては、高融点接点材料と、低融点接点材料とを混合し、プレス成型した後、焼結させる方法や、高融点材料を予めプレス成型して焼結させた後、低融点材料を溶融させて、高融点材料の隙間に含浸させる方法などを採用することができる。

また、低融点層５３は、混合層５０の裏面側を切削加工して凹部とし、その凹部に低融点接点材料を溶融させて流し込む方法や、低融点接点材料を上記凹部に適合する形状に成形し、該成形された低融点接点材料を凹部に挿入して溶接する方法などを挙げることができる。

混合層５０は、高融点接点材料５２を９０〜１０質量％、低融点接点材料５１を１０〜９０質量％含有することが好ましく、高融点接点材料５２を４０〜６０質量％、低融点接点材料５１を６０〜４０質量％含有することが更に好ましい。これによって、固定接点と可動接点の接触抵抗を低くすると共に、耐久性を向上させることができる。高融点接点材料５２が１０質量％未満では、接点材料としての強度が不足する傾向があり、高融点接点材料５２が９０質量％を超えると、接触抵抗が増大する傾向がある。

混合層５０のより好ましい態様としては、高融点接点材料５２としてＷを用い、低融点接点材料５１としてＣｕを用いたものが挙げられる。

また、混合層５０の厚さは、０．２〜１ｍｍであることが好ましい。これによって低融点層５３に熱が伝わりやすくなり、混合層５０中の低融点接点材料５１の消耗に伴って、低融点層５３の低融点接点材料が溶融して、混合層５０に移動しやすくすることができる。混合層５０の厚さが０．２ｍｍ未満では、接点材料としての強度や耐久性が不足する傾向があり、１ｍｍを超えると、低融点層５３に熱が伝わりにくくなり、混合層５０の低融点接点材料５１が消耗したとき、低融点層５３から低融点材料が補充されにくくなる。

更に、混合層５０と低融点層５３とからなる固定接点２８及び可動接点２９の、それぞれの全体の厚さは、０．５〜３ｍｍであることが好ましい。これによって、固定接点２８及び可動接点２９の強度を保持し、接触抵抗を良好に維持することができる。それぞれの接点の全体の厚さが０．５ｍｍ未満では、強度や耐久性が不足する傾向があり、３ｍｍを超えると、熱伝導が弱くなり効果が発揮されない傾向がある。

このようにして構成された本発明のガス密閉型電磁接触器によれば、接点が開くときにアークが発生して、混合層５０中の低融点接点材料５１が昇華して消耗する際に、低融点層５３の低融点接点材料が溶融して混合層５０に移動し、消耗した低融点接点材料５１を補充するので、混合層５０中の低融点接点材料５１の消耗が抑制され、接触抵抗を長期間に亘って低く維持することができるという効果が得られる。

なお、図１に示した実施形態は、本発明が適用されるガス密閉型電磁接触器の一例であり、本発明は、接点の構造に特徴を有するものであって、ガス密閉型電磁接触器の構造自体は限定されるものではなく、他の構造のガス密閉型電磁接触器にも適用できる。

［実施例１］
ガス密閉型でない電磁接触器（マグネットスイッチ）に、混合層と低融点層とを接合してなる接点を装着し、この電磁接触器をガスチャンバ中に入れて、窒素ガスを封入し、ガス密閉型電磁接触器と類似した環境を作り、電流のＯＮ、ＯＦＦによりアークを発生させたときの電流時間積（ＡＳ）による接触抵抗（ｍΩ）の変化を測定した。混合層５０としては、高融点接点材料５２としてＷを用い、低融点接点材料５１としてＣｕを用い、Ｃｕ：Ｗ＝５０：５０としたものを用いた。低融点層５３としては、Ｃｕを用いた。

この結果を図４に示す。図４に示されるように、電流時間積が６００ＡＳとなるまで、接触抵抗は低く抑えることができた。

１０密閉型電磁接触器
２０接点機構
２１第１固定接触子
２２第２固定接触子
２３可動接触子
２４可動プランジャ
２５連結軸
２６復帰スプリング
２７接触スプリング
２８固定接点
２９可動接点
３０電磁石ユニット
３１励磁コイル
３２永久磁石
４０消弧室
４１角筒体
４２絶縁筒体
４３固定接点支持絶縁基板
４４磁気ヨーク
４５アーク消弧用永久磁石

Claims

固定接点を有する固定接触子と、可動接点を有する可動接触子とが、ガスを封入された消弧室に配置されてなるガス密閉型電磁接触器において、
前記固定接点及び前記可動接点は、高融点接点材料と、該高融点接点材料よりも低融点の低融点接点材料とが混合した混合層と、前記低融点接点材料のみからなる低融点層とが接合されて構成されており、
前記混合層が前記固定接点及び前記可動接点の表面側に配置され、前記低融点層は、前記混合層の内側に配置されていて、前記混合層が相手方接点に接離するように構成されていることを特徴とするガス密閉型電磁接触器。
前記混合層の裏面側中央部に凹部が形成されており、前記低融点層は、該凹部に充填されている、請求項１記載のガス密閉型電磁接触器。
前記混合層は、前記高融点接点材料を９０〜１０質量％、前記低融点接点材料を１０〜９０質量％含有する、請求項１又は２記載のガス密閉型電磁接触器。
前記混合層は、前記高融点接点材料を４０〜６０質量％、前記低融点接点材料を６０〜４０質量％含有する、請求項３記載のガス密閉型電磁接触器。
前記消弧室に封入されるガスは、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスからなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス密閉型電磁接触器。
前記消弧室に封入されるガスは、水素ガスを３０％（ｖ／ｖ）以上含有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス密閉型電磁接触器。
前記混合層の厚さは、０．２〜１ｍｍである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス密閉型電磁接触器。
前記混合層と前記低融点層とからなる前記固定接点及び前記可動接点の全体の厚さが、０．５〜３ｍｍである、請求項１〜７のいずれか１項に記載のガス密閉型電磁接触器。