JP2024014795A - リラクタンスブーストによる回転セグメント電気機械システム - Google Patents

Abstract

【課題】最大４５°の回転角度により制限される直接回転運動を実行可能であり、これにより、電気機械リレーのコンタクトシステムに適切なトルク性能を提供可能な、回転セグメント電気機械システムおよびこれを備える電気スイッチングデバイスを提供する。【解決手段】電気機械システム１００は、それぞれの第１のコイル１１０及び第２のコイル１２０の外側に配置されたそれぞれの第１の端部１５２、１６２を有する対のポール部材１５０、１６０と、ポール部材間に配置された回転部材１７０と、を備える。回転部材は、ポール部材によって加えられる磁気作動により、第１の端部に平行な平面と第１のコイル軸を横切る平面との交線に沿って位置合わせされた中心軸を中心に回転することができる対のローブ１７２、１７４を有する。ポール部材および回転部材は、回転部材に加わる作動磁気力を増大させるリラクタンスブースト形状輪郭を有して構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械システムに関し、より詳細には、回転式の電気機械システムに関する。

電気機械システムは、通常、他のタイプの作動システムと比べて、設計の簡単さおよび動作信頼性などのいくつかの利点を示すため、コンタクタおよびリレーを動作させるために使用される。一般に、通常のタイプの従来の電気機械システムは磁気回路を備え、この磁気回路は、鉄心、磁気ヨーク、電機子、および励磁電流の供給により磁束を磁気回路に印加する役割を果たす励磁コイルを有する。磁気回路の要素は、一般に、互いに相対的に設計および配置され、したがって、励磁されたコイルにより発生する磁束が磁気回路を通って導かれて、電機子のそれぞれの側に吸引力を加えることにより、電機子を吸引力の方向に移動または回転させる。したがって、励磁コイルに供給される外部電流の符号（ｓｉｇｎ）および強度を制御することによって、異なる状態間で電機子のスイッチング動作を誘発することができる。

基本的な磁気回路および励磁コイルの異なる配置および設計を有するいくつかのタイプの電気機械システムが、市販されている。

回転電気機械システムは、例えば、ボール回転式の回転電気機械システムおよび傾転式の回転電気機械システムのそれぞれによって提供されるような、動作トルクおよび動作安定性の向上が望ましいある用途における使用に利点を有する。例えば、ボール回転式の回転電磁システムが、国際特許出願公開第ＷＯ２０１８／２３４１４２（Ａ１）号に記載されている。この公知の電磁システムにおいて、従来のソレノイド構成を通る鉄心の突入が、傾斜面（湾曲経路）で動く追加の機械要素（ボール）を介して電機子の回転運動に変換される。電磁システムは、磁気ヨーク、コイル、下部鉄心、上板、上部鉄心、電機子、上部鉄心を上板から磁気的に分離する磁気分離リング、および複数のボールを含む。上部鉄心は、磁気分離リングに対して垂直方向に動くことができる。複数の第１の湾曲溝が、電機子の底面に形成され、複数の第１の湾曲溝のそれぞれに対応する複数の第２の湾曲溝が、上板の上面に形成されている。ボールは、第１の湾曲溝および対応する第２の湾曲溝において転がることができる。各第１の湾曲溝の深さは、第１の端部から第２の端部へ徐々に深くなり、ボールによって電機子に加えられる力が、上部鉄心の中心軸に対して傾斜し、電機子を駆動して垂直方向に平行な中心軸を中心に回転させる。したがって、溝の湾曲経路によって画定される傾斜面でボールが動くことによって、鉄心の直線運動が電機子の回転運動に変換される。これは、鉄心の垂直運動と電機子の回転運動との伝達比が非常に大きいため、極めて精密な部品を利用可能であるようにする必要があることを意味する。一方、鉄心の直線運動は追加の機械部品を使用することによって回転に変換されるため、この設計は非常に高いギヤ比を示すことがあり、したがって、極めて精密な部品が利用可能であることが必要な場合がある。個々の部品および製造の精度に対する極端な要求は、実際に満たされないことがあり、またはすべての用途について正当化できないことがある。さらに、ボールがその位置、特に横方向組立位置を失うことがあるため、この設計の機能は取付方向に強く依存している。これにより、動作不良が生じることがある。

したがって、最小限の追加の機械部品を使用するように電機子の直接回転作動を提供可能な設計を有し、それにより、従来の回転電気機械システムよりも高い堅牢性を持つ設計をもたらすことのできる、回転電気機械システムが依然として必要である。

本発明は、従来技術の短所および欠点を考慮してなされたものであり、その目的は、所望の最大回転角度により制限される回転運動において電機子の直接回転作動を提供可能であり、これにより、ＤＣ電力スイッチなどの電気機械リレーのコンタクトシステムに適切なトルク性能を提供可能な、電気スイッチングデバイスのための電気機械システムを提供することである。さらなる目的は、電気機械システムを備える電気スイッチングデバイスを提供することである。

この目的は、独立請求項の主題によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明によれば、電気スイッチングデバイスのための回転セグメント電気機械システムであって、電気機械システムは、それぞれの励磁電流に応じてそれぞれの磁場を発生させるように構成されている第１のコイルおよび第２のコイルを含む励磁コイルアセンブリと、励磁コイルアセンブリにより発生した磁場の磁束線に沿って進む磁束経路を提供するように構成されている磁気システムとを備え、磁気システムは、第１のコイルの上側に配置された第１のポール部材および第２のコイルの上側に配置された第２のポール部材であって、第１のポール部材および第２のポール部材は、互いに平行かつ第１のコイル軸に平行に、第１のコイルおよび第２のコイルの外側に配置されたそれぞれの第１の端部を有する、第１のポール部材および第２のポール部材と、第１のポール部材と第２のポール部材との間に配置され、第１のローブおよび第２のローブを有する回転部材であって、第１の端部に平行な平面と第１のコイル軸を横切る平面との交線に沿って位置合わせされた中心軸を中心とする回転運動を実行するように構成されている回転部材とを含み、第１のポール部材および第２のポール部材の第１の端部は、励磁コイルアセンブリを励磁したときに、第１のコイルおよび第２のコイルにより発生した磁力線（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｌｉｎｅｓ）を回転部材の第１のローブおよび第２のローブのそれぞれに向けるように、かつ第１のローブおよび第２のローブにそれぞれの第１のポール部材および第２のポール部材に向かう回転運動を実行させる磁力の合力（ａ ｒｅｓｕｌｔａｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ）を生じさせるように構成されている、回転セグメント電気機械システムが提供される。

さらなる発展形態によれば、第１のコイルおよび第２のコイルは、互いに平行にそれぞれのコイル軸に位置合わせされ、所与の離間距離だけ離間し、かつ／または、第１のポール部材および第２のポール部材の第１の端部のうちの少なくとも一方と前記第１の端部に対向する回転部材のローブとは、回転運動中にそれぞれのローブが第１の端部に接触したときにリラクタンスを低下させるように構成されている、適合リラクタンスブースト形状輪郭（ｍａｔｃｈｉｎｇ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ－ｂｏｏｓｔ ｓｈａｐｅ ｃｏｎｔｏｕｒ）を有して設計されている。

さらなる発展形態によれば、少なくとも一方の第１の端部のリラクタンスブースト形状輪郭は、中心軸を横切る平面における所与の長さの円形セグメントによって画定される湾曲側壁を有する段凹部の形状を有し、対向するローブの適合リラクタンスブースト形状輪郭は、相補的な湾曲側壁を有し、回転運動が所定の回転角度で停止するまで、対向するローブと第１の端部との重なり接触が徐々に増加するようになっている。

さらなる発展形態によれば、回転運動は、対向するローブと第１の端部との適合リラクタンスブースト形状輪郭の完全な重なり接触が生じる、所定の最大回転角度で停止し、かつ／または、リラクタンスブースト形状輪郭の円形セグメントの長さおよび半径が、回転部材により実行される回転運動を４５°以下の最大回転角度に制限するように構成されている。

さらなる発展形態によれば、磁気システムは、第１のポール部材および第２のポール部材の第１の端部のうちの少なくとも一方に設けられた永久磁石をさらに含み、この永久磁石は、回転部材のそれぞれのローブに対向して配置され、磁気的に分極されて、永久磁石が配置されている第１の端部と、対向するローブとの間の分離間隙にわたるリラクタンスを低下させる。

さらなる発展形態によれば、前記リラクタンスブースト形状輪郭は、第１のポール部材および第２のポール部材の第１の部分のうちの一方のみに設けられ、永久磁石は、第１のポール部材および第２のポール部材の第１の部分のうちの他方に設けられている。

さらなる発展形態によれば、回転部材は、励磁コイルアセンブリが励磁されていないときに、第１のローブおよび第２のローブが、それぞれの最大分離間隙によって、第１のポール部材および第２のポール部材の第１の端部からそれぞれ分離される回転方位である開状態をとるように構成され、かつ／または、回転部材は、励磁コイルアセンブリが所与の励磁電流により励磁されているときに、閉状態へと所定の回転角度だけ回転するように構成され、閉状態において、回転部材の第１のローブおよび第２のローブのうちの一方は、それぞれの第１のポール部材および第２のポール部材の対向する第１の端部に完全に当接する。

さらなる発展形態によれば、前記所定の回転角度は４５°以下である。

さらなる発展形態によれば、第１のポール部材および第２のポール部材のそれぞれは、第１のコイルおよび第２のコイルのそれぞれの上側から第１のコイルおよび第２のコイルのそれぞれの内部空間へ貫入する第２の端部を有する。

さらなる発展形態によれば、第１のポール部材および第２のポール部材のうちの少なくとも一方は、下向きの脚部が第１のコイルおよび第２のコイルの上側に対して配置されているＵ字形を有し、脚部は、第１のコイルおよび第２のコイルの外側に延びる第１の端部を含む。

さらなる発展形態によれば、磁気システムは、第１のコイルおよび第２のコイルの下側に配置され、第１のポール部材を第２のポール部材に接続するように構成されている主鉄心をさらに含み、主鉄心、第１のポール部材、回転部材、および第２のポール部材は、磁気システムによって提供される前記磁束経路を形成する。

さらなる発展形態によれば、主鉄心は、中央領域と、前記中央領域のそれぞれの側から上方へ延びる対の第１の脚部および第２の脚部とによって形成されたＵ字形を有し、第１の脚部は、第１のコイルの下側から第１のコイルの内部空間を貫通し、第２の脚部は、第２のコイルの下側から第２のコイルの内部空間を貫通し、第１のポール部材および第２のポール部材のそれぞれの第２の端部に接触するまで上方へ延びる。

さらなる発展形態によれば、磁気システムは、第１のコイルおよび第２のコイルの内部空間内の磁束線の閉じ込めを増加させるように構成されている補助鉄心をさらに含み、補助鉄心は、第１のコイルおよび第２のコイルの軸方向長さおよび主鉄心の内側に沿って延びるように構成され、主鉄心および／または補助鉄心は、一体部片として、もしくは互いに磁気的に結合された複数の部片として形成可能であり、かつ／あるいは、主鉄心および／または補助鉄心は、軟鉄から固体または積層形態で形成され、かつ／あるいは、回転部材は軟鉄から形成されている。

本発明によれば、回転セグメント電気機械システムを備える電気スイッチングデバイスがさらに提供される。

さらなる発展形態によれば、電気スイッチングデバイスはコンタクタまたはリレーである。

添付図面は、本発明の原理を説明する目的で、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部をなす。図面は、本発明を形成および使用できる方法の図示し説明する例のみに、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。

さらなる特徴および利点が、添付図面に示す本発明の以下のより詳細な説明から明らかになろう。

本発明の例示的な実施形態による、ポールにリラクタンスブースト輪郭を有する、開状態における回転セグメント電気機械システムの概略斜視図である。 図１に示す回転セグメント電気機械システムの垂直断面図（すなわち、図１に示す座標軸ＺおよびＸに平行な平面に沿って取った断面図）である。 電気機械システムの回転部材と対向するポール部材との接触状態における、図１に示す電気機械システムの垂直断面図である。 図３に示す囲みＡの拡大図であり、回転部材および対向するポール部材の固有のリラクタンスブースト形状、ならびに回転部材に加わるリラクタンスの合力（Ｆｒ）の力成分の概略を示す図である。 本発明のさらなる例示的な実施形態による、開状態における回転セグメント電気機械システムの垂直断面図である。 電気機械システムの回転部材と対向するポール部材との接触状態における、図５に示す電気機械システムの垂直断面図である。 本発明のさらなる例示的な実施形態による、開状態における電気機械システムの垂直断面図である。 電気機械システムの回転部材と対向するポール部材との接触状態における、図７に示す電気機械システムの垂直断面図である。 図１に示す電気機械システムの水平断面図（すなわち、ＸＹ平面を横切って取った断面図）である。

以下で、本発明の例示的な実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明についてより十分に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全なものになるように、かつ当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように提供される。同一の数字は全体を通じて同一の要素を指す。

本発明の基礎をなす一般概念は、磁気ヨークおよびポールプレートの特別な配置内で、ポールプレートによってのみ制限される最大回転角度を有する回転運動を実行する回転部材、例えば、軟鉄から形成されたロータを備える磁気システムを有する回転セグメント電気機械システムを提供することである。さらに、電気機械システムは、対のコイル巻線を支える２つのコイルタワーを有する励磁コイルアセンブリを備え、各コイル巻線は、当技術分野で知られているフライヤ巻線または他の適切なコイル巻線技法によりそれぞれのタワーに巻き付けられて、反対方向の磁場を発生させる。回転部材とポールプレートのうちの少なくとも一方とは、以下でリラクタンスブースト形状輪郭と呼ぶ特別な幾何形状を有して設計され、この幾何形状は、コイルが励磁されたときに回転部材に発生するトルクが、従来のヒンジ式電機子磁石システムの力曲線に適合するように設計され、コンタクトのオーバトラベル領域の高い力要件を特にマッピングすることができる。

図１は、本発明の例示的な実施形態による回転セグメント電気機械システム１００の概略斜視図である。参照しやすいように、図１に示すＸＹＺ座標軸系のＺ軸の方向を、以下で垂直方向と呼ぶ。しかしながら、本発明および例示的な実施形態の以下の説明は、重力によって定義される垂直方位などの特定の方位における使用に限定されるものと解釈されるべきではない。

回転セグメント電気機械システム１００は、外部励起電流（図示せず）により励磁されると磁場を発生させる励磁コイルアセンブリを備える。図１および図２を参照すると、励磁コイルアセンブリは、第１のコイル１１０と第２のコイル１２０とを含み、これらのコイルは、互いに平行にそれぞれのコイル軸に位置合わせされ、間隔領域１３０により、コイル軸を横切る方向に離間して配置されている。「コイル軸」という用語は、ここでは、第１のコイル１１０（または第２のコイル１２０）の中心を通り、図１に示すＺ軸に沿って位置合わせされたコイルの対称軸を指すときに使用される。

第１のコイル１１０は、電気機械システム１００の支持体１４０の第１のコイル支持部またはタワー１１５に巻き付けられた１組の巻線である。同様に、第２のコイル１２０は、支持体１４０の第２の垂直なタワー１１６に巻き付けられた１組の巻線である。第１のコイル１１０の巻線は、第２のコイル１２０の巻線と反対向きに巻き付けられて、第１のコイル１１０の内部中心で磁力線を発生させ、この磁力線は、第１のコイルおよび第２のコイルの両方が同じ励起電流または同じ極性の別個の励起電流により励磁されたときに第２のコイル１２０により第２のコイル１２０の内部中心で発生する磁力線とは反対方向を向くことが好ましい。第１のコイル１１０および第２のコイル１２０を、共通の電源（図示せず）により励磁されるように、直列にまたは並列に接続してもよい。代替構成において、第１のコイル１１０および第２のコイル１２０を別個の励磁電流により励磁することができ、その場合、各コイルにより発生する磁場の方向および強度が、それぞれの励磁電流によって決定される。第１のコイル１１０および第２のコイル１２０は、巻線の数、インピーダンス、コイルの長さおよび断面などの同様の特性を備え、同じ励磁電流を使用して同様の強度の磁場を発生させることができることが好ましい。

加えて、電気機械システム１００は、励磁コイルアセンブリにより発生した磁束線に沿って進む選択的な磁束経路を提供する磁気システムを備え、これについて以下で図２～図４を参照しながら説明する。

図２に示すように、磁気システムは、第１のコイル１１０および第２のコイル１２０の上側にそれぞれ離間して配置された対のポール（以下で、第１のポール部材１５０および第２のポール部材１６０と呼ぶ）を含む。第１のポール部材１５０および第２のポール部材１６０は、第１のコイル１１０および第２のコイル１２０のそれぞれによって発生した磁束線を、コイル１２０、１３０の上側から間隔領域１３０内に通すように構成され、それにより、それぞれの第１の端部１５２、１６２に反対の極性の磁極を提供する。

加えて、磁気システム１３０は回転部材１７０を含み、この回転部材１７０は、第１のコイル１１０と第２のコイル１２０との間の間隔領域１３０に配置され、所与の励磁電流について、第１のポール部材１５０および第２のポール部材１６０の第１の端部１５２、１６２からの磁気吸引力の合力により回転することができる。ポール部材１５０、１６０の第１の端部１５２、１６２は、ポール部材１５０、１６０が配置されているそれぞれの第１のコイル１１０および第２のコイル１２０の外側で、互いに平行かつコイル軸に平行に、すなわち垂直方向に平行（すなわち図２のＺ軸方向）に延びるように構成されている。

図２に示すように、回転部材１７０は、間隔領域１３０の中間位置で第１の端部１５２、１６２間に配置され、第１の端部１５２、１６２の両方に平行な垂直面とコイル軸を横切る水平面との交線に沿って実質的に延びる中心軸Ｃを中心に回転するように取り付けられている。回転運動を容易にするために、回転部材１７０を２つの適切な軸受１７１（滑り軸受、玉軸受など）によって支持することができる。回転部材１７０はまた、中央領域１７６（中心軸Ｃを中心とする）と対のローブ１７２、１７４とを含む断面形状（中心軸Ｃを横切る垂直平面で取った断面）を有して設計され、対のローブ１７２、１７４は、中央領域１７６に対して互いに正反対に配置され、第１のポール部材１５０および第２のポール部材１６０のそれぞれの第１の端部１５２、１６２に対向するような向きのそれぞれの端面を有する。図２、図３に示すように、第１のローブ１７２および第２のローブ１７４は、ミラー輪郭形状（ｍｉｒｒｏｒｅｄ ｃｏｎｔｏｕｒ ｓｈａｐｅｓ）を有することが好ましい。

加えて、第１のポール部材１５０は、開状態で回転部材１７０の上部（すなわち、中心軸Ｃを含む水平面より上方の部分）にある回転部材１７０の第１のローブ１７４と主に相互作用するようになっているため、第１の端部１５２は、第１のコイル１１０の上側から下方へ間隔領域１３０内に、第１のコイル１１０の長手方向長さの少なくとも一部に沿って延びて、第１のコイル１１０と回転部材１７０の一側（図２の左側）との間に配置され、例えば、中心軸Ｃを含む水平面に到達することにより、実質的に第１のローブ１７４の長さを覆うようになっている。

第２のポール部材１６０は、開状態で中心軸Ｃを含む水平面より下方にある、回転部材１７０の下側ローブ１７２と主に相互作用するように設計されている。したがって、第２のポール部材１６０の第１の端部１６２は、第２のコイル１２０の外側に沿って間隔領域１３０内に延び、回転部材１７０の右側に配置されるようになっている。さらに、下側ローブ１７２の長さに完全に重なるために、第２のポール部材１６０の第１の端部１６２は、第１のポール部材１５の第１の端部１５２よりも長い距離にわたって延び、例えば、開状態の下側ローブ１７２の端部まで延びる。

開状態は、第１のローブ１７２および第２のローブ１７４が第１のポール部材１１０および第２のポール部材１２０に機械的に接触していない、回転部材１７０の回転状態に対応する。さらに、ローブ１７２、１７４のそれぞれは、回転部材１７０の全回転運動中に実現できる最大分離間隙で、第１のポール部材１１０および第２のポール部材１２０のそれぞれの第１の端部１５２、１６２から分離される。例えば、図２に示すように、ローブ１７２、１７４は、中心軸Ｃを含む水平面ＸＹに対して正反対に配置されている。したがって、開状態は、回転部材１７０と第１のポール１１０および第２のポール１２０のそれぞれとの間に最大リラクタンス（磁気抵抗）が存在する回転状態に対応する。

第１のコイル１１０および第２のコイル１２０が、所与の符号および十分な強度の励磁電流により励磁されると、図３に示すように、第１のコイル１１０および第２のコイル１２０により発生した磁場Ｂの磁束線が、第１の端部１５２、１６２により、回転部材１７０の第１のローブ１７２および第２のローブ１７４に反対向きに向けられる。第１の端部１５２、１６２により回転部材１７０の第１のローブ１７２および第２のローブ１７４に加えられる磁力の合力により、回転部材１７０は、吸引しているポール部材１５０の第１の端部１５２に左のローブ１７４が機械的に接触する回転状態に到達するまで、中心軸Ｃを中心にポール部材１５０、１６０のうちの一方に向かって（図３の例では反時計方向に）回転する。

ポール部材１５０、１６０、回転部材１７０の形状、およびこれらの間の距離は、ポール部材１５０、１６０、回転部材１７０、およびこれらの間の分離間隙により形成される磁束経路の一部に沿って磁気抵抗（リラクタンス）を低下させるように、したがって、接触開始時に第１のローブ１７２および第２のローブ１７４の一方または両方に加わる磁気吸引力の合力を増大させるように選択される。これについて以下で説明する。

発生した磁場により生じるトルクが回転部材１７０に与える効果を高めるために、ポール部材１５０、１６０のうちの少なくとも一方およびそれぞれの対向するローブ１７４または１７２とは、コイルアセンブリを励磁したときに、両者間の磁気吸引力を増大させるように設計されている。

詳細には、本実施形態において、第１のポール部材１５０および第２のポール部材１６０の第１の端部１５２、１６２と、回転部材１７０のそれぞれのローブ１７４、１７２とは、適合リラクタンスブースト形状輪郭を有して設計され、この輪郭は、回転運動中にそれぞれのローブが第１の端部に接触したときにリラクタンスを低下させるように特に設計されている。

例えば、図４を参照すると、第１の端部１５２は、段形状を有する凹部１５４を備え、この凹部１５４は、中心軸Ｃを横切る平面における所与の長さおよび半径の円形セグメントによって画定される湾曲側壁１５６を有する。加えて、対向するローブ１７４の適合リラクタンスブースト形状輪郭は、ローブ端面に相補的な湾曲側壁１７５を有し、回転中、回転運動が所定の最大回転角度で停止するまで、第１のローブ１７４とポール部材１５０の第１の端部１５２との重なり接触が徐々に増加するようになっている。段凹部１５４は、回転部材１７０が第１の端部１５２に向かって回転するとき、かつ第１の端部１５２とローブ１７４との完全な機械的接触の最終状態に到達する前に、ローブ１７４との正確な機械的接触を確立するように寸法決めされている。特に、円形セグメントの長さは、所望の最大回転角度に基づいて設定され、その最大回転角度で、回転部材１７０は、開状態から、回転運動が停止する閉状態に回転することができる。円形セグメントの半径は、回転部材１７０からのサイズによって規定される。

この固有のリラクタンスブースト形状輪郭により、第１の端部１５２とローブ１７４との間のリラクタンス（磁気抵抗）を低下させることによって、接触開始時にローブ１７４に加わる磁気吸引力の合力を増大させることができる。有効な力の増大は、リラクタンスの合力Ｆ_ｒの方向によって決定される。図４の第１のポール部材１５０についての囲み内に示すように、第１の端部１５２と回転部材１７０の対向するローブ１７４との間の磁気力の最強の効果は、ローブ１７４が段凹部１５４の湾曲側壁１５６に最初に接触したときに実現される。この段階で、合力Ｆ_ｒの水平成分Ｆ_ｘは、反時計方向の回転運動に関与する。この水平成分Ｆ_ｘは、回転部材のローブ１７４の湾曲縁部１７５と、第１のポール部材１５０の段凹部１５４の湾曲セグメント１５６とが重なり始めた時点で最大になる。反時計方向の回転が続くと、Ｆ_ｒの大きさのみが垂直力成分Ｆ_ｙ（Ｙ成分）を有し、段凹部のベース１５９により回転運動が停止する状態に到達するまで、水平成分Ｆ_ｘは、凹部の湾曲セグメント１５６とローブの湾曲縁部１７５との重なり面の増加に伴って減少する。回転部材１７０の終了位置に対して、回転部材１７０とポール部材１５０の第１の端部１５２との重なり位置の適切な開始を選択することによって、最大リラクタンス点を、ある角度位置で生じるように選択することができる。

したがって、リラクタンス力Ｆ_ｒは磁気抵抗（リラクタンス）の変化に基づき、常に最も低い磁気抵抗の方向に作用するため、リラクタンスブースト形状輪郭の固有の特徴により、力成分（リラクタンス力Ｆ_ｒ）が追加され、それにより、総吸引力が正確に増大する。その結果、回転部材１７０のローブ１７２、１７４は、中心軸Ｃを中心とするそれぞれの円形セグメントにおいて回転運動を描く。

回転運動は、所定の最大回転角度に到達すると自動的に停止し、その最大回転角度では、対向するローブ１７４および第１の端部１５２の適合リラクタンスブースト形状輪郭の完全な重なり接触があり、すなわち、湾曲側壁１５６、１６６間で、ベース１５９に対するローブ１７４の端面１７８からの完全な重なり接触が生じる。したがって、電気機械システム１００の所望の用途に応じて、回転部材１７０により実行される回転運動を所望の最大回転角度に制限するように、リラクタンスブースト形状輪郭の円形セグメント１５６、１６６の長さおよび半径を選択することができる。例えば、湾曲セグメント１５６、１６６を、４５°以下の所定の最大回転角度を実現するように設計することができる。

本実施形態において、適合リラクタンスブースト形状輪郭は、第２のポール部材１６０の第１の端部１６２および回転部材１７０の第２のローブ１７２にも設けられている。詳細には、第１の端部１６２も段凹部１６４を備え、この段凹部１６４は、中心軸Ｃを横切る平面において円形セグメントを画定する湾曲側壁１６６を有する。加えて、対向するローブ１７２の適合リラクタンスブースト形状輪郭は、ローブ端面に相補的な湾曲側壁を有し、回転中、回転運動が所定の最大回転角度で停止するまで、第２のローブ１７２とポール部材１６０の第１の端部１６２との重なり接触が徐々に増加するようになっている。第１のポール部材１５０と同様に、段凹部１６４も、回転部材１７０が第１の端部１６２に向かって回転するときに正確な機械的接触を確立するように、回転部材１７０の対向するローブ１７２に対して寸法決めされている。湾曲側壁１５６、１６６は類似しており、すなわち同じ曲率半径および長さを有することが好ましい。一方、従来技術の製造プロセスの公差を満たすために、閉状態における回転部材１７０の終了位置は、回転部材１７０がポール部材１５０、１６０のうちの一方のみと完全な機械的接触を行うことよって決定されることが好ましい。図３の例では、ローブ１７４は第１の端部１５２の段凹部１５４に完全に接触するが、システム１００が閉であっても、第２のポール部材１６０の第１の端部１６２と回転部材１７０のローブ１７２との間には空隙が残る。

したがって、（強度および極性において）適切な励磁電流によりコイルアセンブリが励磁されると、回転部材１７０は、閉状態へと所定の回転角度だけ回転し、閉状態では、回転部材１７０の第１のローブ１７４が第１のポール部材１５０の対向する第１の端部１５２に完全に当接する。電気機械システム１００のリセット、すなわち、コイルアセンブリの励磁が停止されたときに回転部材１７０が開状態に戻ることは、磁気システムに組み込まれたコイルばね（図示せず）を介して行うことができ、コイルばねは、磁気力が回転部材１７０に加えられていないときに回転部材１７０を初期状態に戻す。開状態は、第１のコイル１１０および第２のコイル１２０に励磁電流が供給されず、したがって、ポール部材１５０、１６０が磁化されていない初期回転状態にも概ね一致する。

特に電気機械システム１００を横方向に取り付ける（例えば、第１のポール部材１５０および第２のポール部材１６０を水平方向に配置する）ときに、組立てを容易にし、第１のコイル１１０および第２のコイル１２０に配置された第１のポール部材１５０および第２のポール部材１６０の機械的安定性を向上させるために、第１のポール部材１５０および第２のポール部材１６０はそれぞれの第２の端部１５８、１６８を備え、これらの端部１５８、１６８は、それぞれの第１のコイル１１０および第２のコイル１２０の上側からコイル軸に沿ってそれぞれの第１のコイル１５０および第２のコイル１６０の内部空間に貫入し、コイル１１０、１２０の全長の一部にわたって延びる。特に、第１のポール部材１５０および第２のポール部材１６０は、それぞれＵ字形に構成され、第２の端部１５８、１６８に対応するＵ字形脚部がそれぞれのコイル１１０、１２０の内部間隔を下方へ貫通するように配置されていてもよい。ポール部材１５０（または１６０）の他方の脚部は、第１の端部１５２（または１６２）を含み、第１のコイル１１０（または第２のコイル１２０）の外側で延びるように配置されている。

第１のポール部材１５０と第２のポール部材１６０との間の磁束経路は、主鉄心１８０によって、第１のコイル１１０および第２のコイル１２０の下側から閉じられている。詳細には、主鉄心１８０は、第１のコイル１１０および第２のコイル１２０の下側に配置され、第１のコイル１１０および第２のコイル１２０の内部間隔に部分的に貫入して、第１のポール部材１５０の第２の端部１５８を第２のポール部材の第２の端部に接続する。したがって、主鉄心、第１のポール部材１５０、回転部材１７０、および第２のポール部材１６０は、電気機械システム１００の磁気システムによって提供される主磁束経路を画定する。

主鉄心１８０は、中央領域１８２と、前記中央領域１８２のそれぞれの側から上方へ延びる対の第１の脚部１８４および第２の脚部１８６とによって形成されたＵ字形に構成されることも好ましい。主鉄心１８０の第１の脚部１８４は、第１のコイル１１０の下側から第１のコイル１１０の内部空間を貫通し、第２の脚部１８６は、第２のコイル１２０の内部空間を貫通する。主鉄心１８０の両方の脚部１８４、１８６は、第１のポール部材１５０および第２のポール部材１６０のそれぞれの内側に配置された第２の端部１５８、１６８に接触するまで、それぞれのコイル１１０、１２０を通って上方へ延びるように、十分な長さを有する。したがって、主鉄心１８０は、コイルアセンブリの下側において、第１のコイル１１０および第２のコイル１２０の中間に磁束経路を画定する。当然、主鉄心の脚部１８４、１８６の長さは、第１のポール１１０および第２のポール１２０の第２の部分１５８、１６８の長さに応じて決まるため、図２に示すものより短くても長くてもよい。

第１のコイル１１０および第２のコイル１２０の内部空間内の磁束線の閉じ込めを増加させるために、電気機械システム１００の磁気システムは、補助鉄心１９０も含むことができる。例えば、補助鉄心１９０は、主鉄心１８０に隣接し、一部が第１のコイル１１０および第２のコイル１２０の内部間隔を部分的に貫通している状態て配置されていてもよい。例えば、図２に示すように、補助鉄心１９０は、第１のコイル１１０および第２のコイル１２０の軸方向全長に沿って延びる脚部を有するＵ字形も備え、それにより、第１のポール部材１５０および第２のポール部材１６０の第２の端部１５８、１６８を覆うこともできる。主鉄心１８０および／または補助鉄心１９０は、単一部片の鉄心として設けられていても、鉄心の断片から構成されていてもよい。主鉄心および／または補助鉄心は、軟鉄から固体または積層形態で形成されていることが好ましい。回転部材１７０も軟鉄から形成されていることが好ましい。

追加の有利な実施形態において、補助永久磁石を、ポール部材１５０、１６０の２つの第１の端部１５２、１６２のうちの一方に追加して、回転部材１７０の対応するローブ１７４、１７２に加わる磁気力を増大させ、したがって、回転部材１７０に加わる合成トルクを増大させることができる。その場合、永久磁石１９５は、回転部材１７０のそれぞれのローブに対向して配置され、磁気的に分極されて、それぞれの第１の端部と、対向するローブとの間の分離間隙にわたるリラクタンスを低下させる。

図５は、両方のポールのリラクタンスブースト幾何形状とポール部材のうちの一方に設けられている補助永久磁石１９５とを組み合わせた、本発明のさらなる例示的な実施形態による回転セグメント電気機械システム２００の垂直断面図である。詳細には、電気機械システム２００は、磁気システムが、永久磁石１９５が配置されている第２の端部１６２’を有する第２のポール部材１６０’を含む点で、図１～図４を参照して説明した電気機械システム１００とは主に異なる。この構成では、第２の端部１６２’は段凹部１６４’も含む。図５に示すように、段凹部１６４’は、図１～図４の前の実施形態のリラクタンスブースト凹部の湾曲セグメント１６６と同様の湾曲セグメント１６６’を含み、この湾曲セグメント１６６’は、第２の端部１６２に設けられた追加のキャビティに配置されている永久磁石１９５の前面から突出している。永久磁石１９５は、回転部材の下側ローブ１７２および第２のコイル１２０にわたる磁束線の方向に対して磁気的に分極されて、下側ローブ１７２に加わる磁気吸引力を増大させ、したがって、回転部材１７０の反時計方向のトルクを増大させる。修正された段凹部１６４’を除いて、第２のポール部材１６０’の他の特徴は、第２のポール部材１６０に関して前述したものと同様または同一である。

図５に示す電気機械システム２００の他の特徴も、前述した電気機械システム１００の特徴と同一または同様である。すなわち、電気機械システム２００は、前の実施形態で説明した固有のリラクタンスブースト輪郭を有する段凹部１５４を含む第１のポール部材１５０を維持する。したがって、本実施形態について、同一の要素の完全な説明は省略する。

代替構成において、図７、図８を参照して以下で説明する例示的な実施形態のように、永久磁石が装着されているポール部材のうちの一方のリラクタンスブースト幾何形状をなくすことによって、補助永久磁石１９５を追加することができる。

図７に示すように、リラクタンスブースト効果を実現する役割を果たす湾曲セグメント１５６を維持しながら、永久磁石１９５を収容するように段凹部１５４を修正することによって、永久磁石１９５を（図５に示す第２のポール部材１６０’の代わりに）第２のポール部材１６０の第１の端部１６２に設けることができる。詳細には、電気機械システム３００は、磁気システムが、永久磁石１９５が配置されている第２の端部１６２”を有する第２のポール部材１６０”を含む点で、図１～図４を参照して説明した電気機械システム１００とは主に異なる。この構成では、第２の端部１６２”は、単に永久磁石１９５が配置されているキャビティまたは標準的な段凹部１６４”を備え、すなわち、図５および図６を参照して説明した電気機械システム２００のように、湾曲側壁が永久磁石１９５の前面から突出していない。永久磁石１９５はまた、下側ローブ１７２に加わる磁気吸引力を増大させる磁極性により配向され、したがって、回転部材１７０の反時計方向のトルクを増大させる。永久磁石１９５を収容するように第２の端部１６２”を修正したことを除いて、第２のポール部材１６０”の他の特徴は、第２のポール部材１６０に関して前述したものと同様または同一である。図７、図８に示し同一の参照数字で示す電気機械システム３００の他の特徴も、前述した電気機械システム１００の特徴と同一または同様である。したがって、本実施形態において、電気機械システム３００の同一の要素の完全な説明は省略する。

結論として、前述した本発明の原理による回転セグメント電気機械システムは、最小限の可動部品を使用しながら、所定の角度、好ましくは最大４５°の回転角度により制限される直接回転運動を行うことにより、ＤＣ電力リレーなどの電気スイッチングデバイスのコンタクトシステムを動作させるために有利に使用することができ、それにより、従来の回転電気機械システムよりも高い堅牢性を有する設計を提供する。

上記の例示的な実施形態のある一定の特徴を、「上」、「下」、および「上部」などの用語を使用して説明したが、これらの用語は、光モジュール内のそれぞれの特徴およびその相対方位の説明を容易にするためのみに使用され、特許請求される発明またはその構成要素のいずれかを特定の空間方位に限定するものと解釈されるべきではない。さらに、本発明についてミッドボード光モジュールを参照して前述したが、本発明の原理は、このようなデバイスの高密度実装を実現するように熱、光、および電気インターフェースを含む他のタイプの光モジュールにも有利に当てはまる。

上記の例示的な実施形態のある一定の特徴について、図面を参照し、「垂直方向」、「左」、「右」、「上方」、「下方」などの相対的な用語を使用して説明したが、これらの用語は、それぞれの図に示す座標系ＸＹＺを参照して定義されているものと理解すべきである。説明において別段の指定がない限り、「垂直」または「上側」という用語は、上記の説明において、電気機械システムの他の特徴に対して座標軸Ｚの正の方向に位置する特徴を説明するために使用され、「右側」という用語は、座標軸Ｘの正の方向の側にあるものと解釈されるべきである。それにもかかわらず、これらの用語は、それぞれの特徴およびそれらが互いに位置決めされ／方向付けされる様子の説明を容易にする目的のみで使用され、特許請求される発明またはその構成要素のいずれかを特定の空間方位における装着または使用に限定するものと解釈されるべきではないことを理解されたい。

１００ 電気機械システム
１１０ 第１のコイル
１１５ コイルタワー
１２０ 第２のコイル
１２５ コイルタワー
１３０ 第１のコイルと第２のコイルとの間の間隔領域
１４０ 支持体
１５０ 第１のポール部材
１５２ ポール部材の第１の端部
１５４ 段凹部
１５６ 湾曲側壁
１５８ 第２の端部
１５９ 段凹部のベース
１６０ 第２のポール部材
１６２ ポール部材の第１の端部
１６４ 段凹部
１６６ 湾曲側壁
１６８ 第２の端部
１７０ 回転部材
１７１ 軸受
１７２ 第１のローブ
１７４ 第２のローブ
１７５ 湾曲側壁
１７６ 中央領域
１７８ 第１のローブの端面
１７９ 湾曲側壁
１８０ 主鉄心
１８２ 主鉄心の中央領域
１８４、１８６ 主鉄心のＵ字形の脚部
１９０ 補助鉄心
１９５ 永久磁石
２００ 電気機械システム
１６０’ 第２のポール部材
１６２’ ポール部材の第１の端部
１６４’ 段凹部
１６６” 湾曲側壁
３００ 電気機械システム
１６０” 第２のポール部材
１６２” ポール部材の第１の端部
１６４” 段凹部
Ｃ 中心軸
Ｒ 最大リラクタンスブーストとの接触点

Claims (15)

1. 電気スイッチングデバイスのための回転セグメント電気機械システムであって、前記電気機械システムは、
   それぞれの励磁電流に応じてそれぞれの磁場を発生させるように構成されている第１のコイルおよび第２のコイルを含む励磁コイルアセンブリと、
   前記励磁コイルアセンブリにより発生した磁場の磁束線に沿って進む磁束経路を提供するように構成されている磁気システムと
   を備え、前記磁気システムは、
   前記第１のコイルの上側に配置された第１のポール部材および前記第２のコイルの上側に配置された第２のポール部材であって、前記第１のポール部材および前記第２のポール部材は、互いに平行かつ第１のコイル軸に平行に、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの外側に配置されたそれぞれの第１の端部を有する、第１のポール部材および第２のポール部材と、
   前記第１のポール部材と前記第２のポール部材との間に配置され、第１のローブおよび第２のローブを有する回転部材であって、前記第１の端部に平行な平面と前記第１のコイル軸を横切る平面との交線に沿って位置合わせされた中心軸を中心とする回転運動を実行するように構成されている回転部材と
   を含み、
   前記第１のポール部材および前記第２のポール部材の前記第１の端部は、前記励磁コイルアセンブリを励磁したときに、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルにより発生した磁力線を前記回転部材の前記第１のローブおよび前記第２のローブのそれぞれに向けるように、かつ前記第１のローブおよび前記第２のローブにそれぞれの前記第１のポール部材および前記第２のポール部材に向かう前記回転運動を実行させる磁力の合力を生じさせるように構成されている、
   回転セグメント電気機械システム。
   
2. 前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、互いに平行にそれぞれのコイル軸に位置合わせされ、所与の離間距離だけ離間し、かつ／または、
   前記第１のポール部材および前記第２のポール部材の前記第１の端部のうちの少なくとも一方と前記第１の端部に対向する前記回転部材の前記ローブとは、前記回転運動中にそれぞれの前記ローブが前記第１の端部に接触したときにリラクタンスを低下させるように構成されている、適合リラクタンスブースト形状輪郭を有して設計されている、請求項１に記載の電気機械システム。
   
3. 前記少なくとも一方の第１の端部の前記リラクタンスブースト形状輪郭は、前記中心軸を横切る平面における所与の長さの円形セグメントによって画定される湾曲側壁を有する段凹部の形状を有し、
   対向する前記ローブの前記適合リラクタンスブースト形状輪郭は、相補的な湾曲側壁を有し、前記回転運動が所定の回転角度で停止するまで、対向する前記ローブと前記第１の端部との重なり接触が徐々に増加するようになっている、請求項１または２に記載の電気機械システム。
   
4. 前記回転運動は、対向する前記ローブと前記第１の端部との前記適合リラクタンスブースト形状輪郭の完全な重なり接触が生じる、所定の最大回転角度で停止し、かつ／または、
   前記リラクタンスブースト形状輪郭の前記円形セグメントの長さおよび半径が、前記回転部材により実行される前記回転運動を４５°以下の最大回転角度に制限するように構成されている、請求項３に記載の回転電気機械システム。
   
5. 前記磁気システムは、
   前記第１のポール部材および前記第２のポール部材の前記第１の端部のうちの少なくとも一方に設けられた永久磁石をさらに含み、
   前記永久磁石は、前記回転部材のそれぞれの前記ローブに対向して配置され、磁気的に分極されて、前記永久磁石が配置されている前記第１の端部と、対向する前記ローブとの間の分離間隙にわたるリラクタンスを低下させる、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気機械システム。
   
6. 前記リラクタンスブースト形状輪郭は、前記第１のポール部材および前記第２のポール部材の前記第１の部分のうちの一方のみに設けられ、
   前記永久磁石は、前記第１のポール部材および前記第２のポール部材の前記第１の部分のうちの他方に設けられている、請求項５に記載の電気機械システム。
   
7. 前記回転部材は、前記励磁コイルアセンブリが励磁されていないときに、前記第１のローブおよび前記第２のローブが、それぞれの最大分離間隙によって、前記第１のポール部材および前記第２のポール部材の前記第１の端部からそれぞれ分離される回転方位である開状態をとるように構成され、かつ／または、
   前記回転部材は、前記励磁コイルアセンブリが所与の励磁電流により励磁されているときに、閉状態へと所定の回転角度だけ回転するように構成され、前記閉状態において、前記回転部材の前記第１のローブおよび前記第２のローブのうちの一方は、それぞれの前記第１のポール部材および前記第２のポール部材の対向する前記第１の端部に完全に当接する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気機械システム。
   
8. 前記所定の回転角度は４５°以下である、請求項１または２に記載の電気機械システム。
   
9. 前記第１のポール部材および前記第２のポール部材は、それぞれの前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの上側からそれぞれの前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの内部空間へ貫入するそれぞれの第２の端部を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気機械システム。
   
10. 前記第１のポール部材および前記第２のポール部材のうちの少なくとも一方は、下向きの脚部が前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの上側に対して配置されているＵ字形を有し、前記脚部は、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの外側に延びる前記第１の端部を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の電気機械システム。
    
11. 前記磁気システムは、
    前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの下側に配置され、前記第１のポール部材を前記第２のポール部材に接続するように構成されている主鉄心をさらに含み、
    前記主鉄心、前記第１のポール部材、前記回転部材、および前記第２のポール部材は、前記磁気システムによって提供される前記磁束経路を形成する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気機械システム。
    
12. 前記主鉄心は、中央領域と、前記中央領域のそれぞれの側から上方へ延びる対の第１の脚部および第２の脚部とによって形成されたＵ字形を有し、
    前記第１の脚部は、前記第１のコイルの下側から前記第１のコイルの前記内部空間を貫通し、前記第２の脚部は、前記第２のコイルの下側から前記第２のコイルの前記内部空間を貫通し、前記第１のポール部材および前記第２のポール部材のそれぞれの前記第２の端部に接触するまで上方へ延びる、請求項１１に記載の回転電気機械システム。
    
13. 前記磁気システムは、
    前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの前記内部空間内の磁束線の閉じ込めを増加させるように構成されている補助鉄心をさらに含み、
    前記補助鉄心は、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの軸方向長さおよび前記主鉄心の内側に沿って延びるように構成され、
    前記主鉄心および／または前記補助鉄心は、一体部片として、もしくは互いに磁気的に結合された複数の部片として形成可能であり、かつ／あるいは、
    前記主鉄心および／または前記補助鉄心は、軟鉄から固体または積層形態で形成され、かつ／あるいは、
    前記回転部材は軟鉄から形成されている、請求項１１または１２に記載の回転電気機械システム。
    
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の回転セグメント電気機械システムを備える電気スイッチングデバイス。
    
15. 前記電気スイッチングデバイスはコンタクタまたはリレーである、請求項１４に記載の電気スイッチングデバイス。

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