JP4018634B2 - 三接点ブリッジを有する電磁継電器 - Google Patents

Description

この発明は、一般的に電磁継電器とそれに用いられる接点システムに関し、特に、複数の接点を切り替える電磁継電器に関する。

現在、電磁継電器に対していくつかの技術が開発されており、それらは一般的に、一つまたは複数の電気回路を電気制御電圧によって開閉するために採用され、以下の応用分野で用いられる。
・ 低出力によって制御される高出力のスイッチング
・ 例えば、入力側の低電圧と出力側の本線の電圧といった、異なる電圧レベルの分離
・ ＤＣ回路とＡＣ回路の分離
・ 単一の制御信号によるいくつかの回路の同時スイッチング
・ 情報のリンクとそれによる制御シーケンスの確立

特に、自動推進電気工学の分野では、継電器は様々なスイッチング処理に用いられる。自動車産業においては、例えば、液圧ステアリング支持部のような従来のシステムを電気システムに取り替えるための取り組みがなされており、使用される三相モータを故障時に確実にオフできるスイッチが求められている。従来、三相モータ（例えば、電流範囲がそれぞれ４０Ａ以上および１５Ａ以上の、１２Ｖおよび４２Ｖの搭載型供給システム用の）の星形ポイントを切断／接続するためのこの様なスイッチは、図８から図１０に概略的に示す従来の継電器によって、一つのＵ型継電器（図９）または二つのＡ型接点対（図８）もしくはＸ型接点対（図１０）を相互接続することによって実現できる。これらの用語はアメリカ国家規格協会（ＡＮＳＩ：American National Standard Institute）による記号に従うものである。例えば、特許文献１（Biehlら）および特許文献２（Esterlら）には、各々が二つの可動接点を持つ接点ブリッジを有する周知の電磁継電器が開示されている。

しかしながら、センタータップを有する常開接点、または異なる常開継電器が相互接続されているこのような従来の実現例では、消費電力は電流の二乗で増加するため、大変高い消費電力値を示す。しかし、従来の高電流継電器を用いると、コストやサイズ、重量が非常に大きくなるといった問題がある。
米国特許第５,１５１,６７５号 米国特許第４,５４０,９６３号

複数の電気接点を低い損失と高い安全性で同時に切断／接続できる改良された電磁継電器と接点システムを提供する。

本発明に係る電磁継電器は、磁界を発生させる電磁コイルと、コアと可動電機子とヨークとを有し、前記電磁コイルにより少なくとも一部を囲まれ、前記磁界を案内する強磁性回路と、前記磁界に依存して作動可能な少なくとも三つの可動電気接点を有する接点ブリッジと、前記電機子に固定された接点ばねと、を有する接点システムと、を有し、前記接点ばねは、開口部を有し、前記電気接点が前記開口部から固定接点と接離可能に進退するよう前記接点ブリッジを弾性支持し、前記接点ブリッジは、前記固定接点との電気的接続を形成する際に前記電気接点が前記接点ばねを通り抜けるような態様で前記接点ばねに固定されている、構成を採る。

本発明に係る接点システムは、電磁コイルにより発生する磁界を案内する、可動電機子を有する回路と共に、電磁継電器を構成する接点システムにおいて、前記磁界に依存して作動可能な少なくとも三つの可動電気接点を有する接点ブリッジと、前記電機子に固定された接点ばねと、を有し、前記接点ばねは、開口部を有し、前記電気接点が前記開口部から固定接点と接離可能に進退するよう前記接点ブリッジを弾性支持し、前記接点ブリッジは、前記固定接点との電気的接続を形成する際に前記電気接点が前記接点ばねを通り抜けるような態様で前記接点ばねに固定されている、構成を採る。

添付の図面は、本発明の原理を説明するために明細書に組み入れられてその一部をなす。図面は、発明がいかになされ、用いられるかを示すために説明されている例のみに本発明が限定されることを意図するものではない。以下の記載から発明の更なる特徴と利点が明らかとなり、本発明のより特定的な説明が添付の図面に例示される。

以下、本発明の例示的な実施の形態を、類似の部分と構造を同じ参照番号で示す図面を参照して説明する。

図面について説明する。特に図１には、一実施の形態に係る継電器の部分的構成要素が示されている。この継電器は、磁気コイル（magnetic coil）および鉄回路（iron circuit）を有する磁気システム、ならびに可動接点を有する。本実施の形態によれば、可動接点ブリッジ（moveable contact bridge）１０４は、三つの電気接点１０６を有する。これらは、単一の動きによって、図２に示す対応する固定接点１０８との接続が切断または確立される。固定接点１０８の各々は三相モータの一つの相に対応する。したがって、接点ブリッジ１０４は三相の星形ポイント（star point）を形成する。Ｔ字形のコア（core）の縦方向の脚部は、軸方向に磁気コイル１０２を通って伸長する。二つの横方向の脚部は極面（pole face）１１２を形成する。本実施の形態によれば、電機子（armature）とヨーク（yoke）は、基底面（basal plane）１１６を有するＵ字形の可動電機子１１４に統合されている。電流によって磁気コイルが励起されると、磁界が形成され、可動電機子１１４がコア１１０の極面１１２に引き付けられる。接点ブリッジ１０４はＵ字形電機子１１４の側面の脚部に固定されており、電機子１１４のこの動きによって図示の方向１１８に固定接点１０８に向かって移動する。電機子１１４の支持部に設けられた復帰ばね（reset spring）１２０によって、電機子１１４は、磁気コイル１０２がもはや電流によって励起されなくなると、エリア１１８と反対の方向に戻る。

底部１２６の裏側から外に向かって伸長する接続部１２４を介して、それぞれの相は固定接点１０８に接続可能である。図１および図２に示す部品の組み立てを容易にするために位置決めピン１２８が設けられている。位置決めピン１２８は、底部１２６に配置された対応する開口部１３０と係合する。組み立て後、磁気コイル１０２と接触する接点ピン１３２は底部１２６を貫通し、磁気コイル１０４と電気的に接続するために底部側から接触可能である。

接点ブリッジ１０４は、作動用の接点ばね（contact spring）１０５を介して可動電機子１１４と接続されている。両横固定のカンチレバー（bilaterally fixed cantilever）の原理に従って、この接点ばね１０５は、両方の側端部で、Ｕ字形電機子１１４の脚部とそれぞれ接続されている。一般的には、同図に示す三つの辺を持つフレーム構造のうち二つの辺を提供すれば十分である。ばねの中央には接点ブリッジ１０４用の固定点１３４が設けられている。接点ブリッジ１０４は、接点ばね１０５が接点ブリッジ１０４と固定接点１０８の間に配置される形で、接点ばね１０５に固定されている。電気接点１０６と固定接点１０８の間の電気的な接触を切断する場合、接点ブリッジ１０４は接点ばね１０５によって三点で支持され、これにより、必要な復帰剛性（reset stiffness）が与えられる。電気的な接触を確立する場合は、接点１０６は接点ばね１０５を通り抜ける。

接点ブリッジ１０４および接点ばね１０５は、図３の斜視図に詳細に示されている。本実施の形態に係る接点ブリッジ１０４は、本質的に三角形の形状を有する。電気接点１０６は各頂点に配置され、接点ばね１０５は本質的に矩形の形状を有し、例えば、ばね鋼から打ち抜き（punching）によって形成可能である。接点ばね１０５は三辺を囲むフレーム１０６を有し、その二つの短辺において電機子と接続可能である。接点ブリッジ１０４の弾性懸架（resilient suspension）は、一つの面に伸長する二つの直交するトーションウェブ(torsion webs)１３８、１４０によってもたらされる。トーションウェブ１４０の中央には固定点１３４が設けられ、この固定点１３４には、例えば、接点ブリッジ１０４が溶接可能である。この第二のトーションウェブ１４０は、トーションウェブ１３８の中央の拡大部に設けられた開口部１４２によって形成されている。

このような接点ばねは、接触力を伝達する動きの方向における比較的高いばね剛性を特徴とする。さらに、一つの平面上にあるトーションウェブは低い機械抵抗のスイベルジョイント(swivel joints)に相当する。これによって、製造公差(tolerance)や動作中の接触バーニング（contact burning）とは無関係に、ほぼ等しい接触力が達成可能である。このスイベルジョイントの剛性は、トーションウェブ１３８、１４０の幾何学的寸法を変えることによって調節可能である。接点ブリッジ１０４は二つのトーション軸の交点で固定点１３４に固定される。接点１０６のうちの一つは第二のトーションウェブ１４０の軸上に配置され、第一のトーションウェブ１３８に対して距離１４４を有する。残りの二つの接点はトーションウェブ１４０について対称に配置され、トーションウェブ１３８に対して距離１４５を有するが、この距離１４５は距離１４４の約半分であってもよい。

本実施の形態では、接点１０６が通り抜けられるように、フレーム１３６は三辺においてのみ閉じられている。また、矩形フレーム１３６の対向する辺にウェブを二つだけ設ければ十分であろう。

図４から図７に別の実施の形態を示す。これらの実施の形態に共通して、接点ブリッジ１０４は、コア１１０と接点ばね１０５の間に配置されるのではなく、接点ばね１０５と固定接点１０８の間に配置される。これらの実施の形態では、電気接点１０６が通り抜ける空間を設ける必要がないので、接点ばね１０５の設計の柔軟性が高いという利点がある。接点ばね１０５は、フレームの辺の間に伸長するトーションウェブを有する本質的に矩形の形状（図４および図５）、または、放射状に配置されたトーションウェブを有する円形の形状（図６および図７）を有することができる。

図４から図７の実施の形態では、接点ブリッジ１０４と接点ばね１０５の間に平坦形状ばね１４６が設けられているので、接点ばね１０５のたわみが一方向のみに制限され、可動電機子１１４を開く際に接点が溶着（welding）していた場合、接点ばね１０５の必要な剛性がもたらされる。一般的に、平坦形状ばね１４６を、接点ばね１０５において接点ブリッジ１０４との間に固定せずに、接点ばね１０５のコア１１０に面する側に固定しても同様の効果を得ることができる。

上記各実施の形態によれば、有利にも、単一の星形ポイントに通じる三つの経路の全てを一つの三接点ブリッジによって接続することができる。この目的のために、磁気コイルによって誘導される磁界に依存して作動可能な接点ブリッジには三つの電気接点が設けられている。したがって、三つの相の全てへの接触が単一の制御信号で確立または遮断できる。有利な態様で、この概念は電流経路の対称的な取り扱いを確実にする。これに対して、ダブルブリッジに通じる単一のワイヤを用いたり（Ｕ型、図９）、Ａ型（図８）またはＸ型（図１０）の二つの常開継電器を相互接続したりする従来の解決策によっては、同様のことは達成できない。

さらに、本発明に係る電気継電器は、非常に短い電流経路をもたらすことができる。高電流の場合に散逸させる必要のある熱を考慮すると、このことは従来の概念に比べて決定的な利点となる。同様の効果は、従来のＸ型（図１０）の常開ブリッジ継電器を二つ用いた場合にのみ達成できるであろう。しかし、この場合、三つの接続の一つに四つの接点接合が生じて消費電力を倍増させ、許容値を超えてしまうであろう。

さらに、本発明に係るブリッジの概念は、二倍の実効接触距離をもたらし得るので、１２Ｖ、２４Ｖ、さらには４２Ｖの応用に用いることができる。

また、上記実施の形態に係る電磁継電器によれば、同様の電力クラスの従来の継電器に比べて非常にコンパクトな組み立てが可能であり、スイッチングの対象となるモータに直接取り付けることができる。

ある有利な実施の形態によれば、接点ブリッジは本質的に平坦な形状を有するので、電気接点は一平面に配置される。そのため、すべての電流経路の対称的な取り扱いが大変簡単に実現できる。

接点システムが各々三相の一つに対応する三つの固定接点を有し、かつ接点ブリッジが三相の星形ポイントを形成するので、本発明に係る電磁継電器の有利な特性は非常に効果的に利用できる。

磁界に依存して可動である電機子内にヨークを統合することにより、簡略な二部品磁気回路が形成され、一つの鉄部品が不要になり、かつ組み立てが簡略化されるので、特に経済的な生産性が確保される。

コアが縦方向の脚部と極面を形成する二つの横方向の脚部とを有する本質的にＴ字形に形成され、縦方向の脚部が軸方向に磁気コイルを通って伸長し、かつ電機子が本質的にＵ字形に極面を囲み、電機子の基底面が極面に平行に配置されるので、電機子は特に効率的に作動可能である。

ある有利な実施の態様によれば、接点ブリッジは極面に本質的に平行になるようにＵ字形の電機子の脚部に配置される。したがって、三つの電気接点に働く力は確実に対称的に分布し、さらに、磁気システムから接点システムへの力の伝達が低損失で達成される。

鋼ばねの曲げ加工は大きな製造上のばらつきにつながり得るので、電気接点によって規定される面に本質的に平行に接点ばねを配置することで容易な製造が可能になる。さらに、動作中に予想される高温での曲げ領域の緩和が電磁継電器の寿命の間に特性上の変化をもたらすかもしれないという問題を避けることができる。

接点ばねを金属、特に鉄鋼で形成することにより、特に経済的で容易な生産性が、良好な機能性と共に達成可能である。接点ばねは、例えば、薄板金の打ち抜きによって製造できる。

ある有利な実施の形態によれば、接点ばねは電機子に直接接続されており、また、接点ブリッジは、固定接点への電気接触を確立する際に電気接点が接点ばねを通り抜けるような態様で接点ばねに固定されている。したがって、この実施の形態に係る接点ブリッジはばねによっていくつかの点で支持されており、かつばねが接点ブリッジと固定接点との間に配置されていることから、接点を開くために必要な復帰剛性が特に容易に達成可能である。

別の実施の形態によれば、接点ブリッジは接点ばねと固定接点の間に配置される。この実施の形態では、電気接点が通り抜けるエリアを残す必要がないので、接点ばねのより柔軟な設計が可能であるという利点がある。

この実施の形態では、好ましくは、電機子を開く際に接点が溶着していた場合、必要な剛性を接点ばねが確実に備えるように、接点ブリッジと接点ばねの間に付加的な平坦形状のばねが配置される。平坦形状のばねは、接点ばねのたわみを一方向に制限するように、接点ばねの外側端部に、中央開口部を伴って、接点ブリッジと接点ばねの間に固定されてもよい。また、開口部を持たない平坦形状ばねを接点ばねの中央部に固定してもよい。

接点ばねを本質的に三角形に形成し、電気接点をこの三角形の頂点に配置することで、すべての接点を同時に対称的に取り扱うことができ、容易で経済的な生産性が達成できる。

接点ブリッジを本質的に円形に形成し、電気接点をその円周に沿って均等に配置することで、機械的安定性を向上できる。

ある有利な実施の形態によれば、接点ばねは、一方で、本質的に矩形で平坦な形状を有し、その矩形の少なくとも二辺に設けられるサイドウェブがフレームを形成し、それが電機子と接続可能であり、かつ少なくとも一つのトーションウェブが二つの対向するサイドウェブから伸長しており、他方で、接点ブリッジに対する一つの固定点を有する。接点ばねのこの実施の形態の特徴は、接点ばねが、動きの方向に接触力を伝達するために高いばね剛性を備えること（両横固定カンチレバーの原理）と、同時に、トーションウェブによって低い抵抗のスイベルジョイントが実現され、公差や接触バーニングとは無関係なほぼ等しい接触力を可能にしていることである。トーションウェブは長さと幅に従って異なる剛性を持つことができる。

接点ブリッジに対する固定点の領域にトーションウェブの拡大領域を設けることによって、接点ブリッジに対する力の伝達の向上を図ることができる。

ある有利な実施の形態によれば、この拡大領域は切り抜き（cut-outs）を有し、第一のトーションウェブに直交する更なるトーションウェブによって固定が支持される。この様に、一平面内にある二つのトーションウェブによって四つのスイベルジョイントが形成され、この面の両空間方向における接触力の対称性が確保される。本実施の形態によれば、接点ブリッジは二つのトーション軸の交点で固定され、電気接点の一つは一つのトーションウェブの軸内に配置され、かつセクショントーションウェブに対して特定の距離を持ち、残りの二つの接点は第一のトーションウェブに関して対称で第二のトーションウェブに対して半分の距離を有するように配置される。

接点ばねは異なる形状に形成されてもよく、例えば、矩形の場合はトーションウェブは矩形の辺に平行に伸長し、また、円形の場合はトーションウェブは放射状に配置される。

上記の説明を通して可動のＵ字形構造体１１４は基底面１１６を有する電機子と称されたが、代替の従来例に従えば、統合された電機子１１６を有する可動ヨーク１１４とも呼ぶことができる。

本発明に従って構成された物理的な実施の形態に関して発明を説明したが、上記の教示の元に、かつ発明の本旨と意図された範囲から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲内で、様々な変更、変形および改良が成され得るということが当業者には明らかである。

加えて、ここに説明される発明を不必要に不明確にしないために、当業者にとって明らかな点は説明されなかった。したがって、この発明は例示された特定の実施の形態に限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ規定されるということが理解される。

第一の有利な実施の形態に係る電磁継電器の磁気システムおよび可動接点を示す斜視図 それぞれの固定接点を有する関連のベースプレートの斜視図 図１の接点ばねおよび接点ブリッジの斜視図 他の有利な実施の形態に係る接点ブリッジ、平坦形状ばね、および接点ばねを有する配置の斜視図 図４の配置を１８０度回転させた図 第三の有利な実施の形態に係る接点ブリッジ、平坦形状ばね、および接点ばねを有する配置の斜視図 図６の配置を１８０度回転させた斜視図 アメリカ国家規格協会（ＡＮＳＩ）による継電器接点の組み合わせＡを示す回路図 ＡＮＳＩによる継電器接点の組み合わせＵを示す回路図 ＡＮＳＩによる継電器接点の組み合わせＸを示す回路図

Claims (25)

1. 磁界を発生させる電磁コイルと、
   コアと可動電機子とヨークとを有し、前記電磁コイルにより少なくとも一部を囲まれ、前記磁界を案内する強磁性回路と、
   前記磁界に依存して作動可能な少なくとも三つの可動電気接点を有する接点ブリッジと、前記電機子に固定された接点ばねと、を有する接点システムと、を有し、
   前記接点ばねは、開口部を有し、前記電気接点が前記開口部から固定接点と接離可能に進退するよう前記接点ブリッジを弾性支持し、
   前記接点ブリッジは、前記固定接点との電気的接続を形成する際に前記電気接点が前記接点ばねを通り抜けるような態様で前記接点ばねに固定されている、
   ことを特徴とする電磁継電器。
2. 前記接点ばねは、前記ヨークに接続可能なフレームと、前記フレームの内側を通って伸張しかつ前記接点ブリッジ用の固定点を有する少なくとも一つのトーションウェブとを有する、請求項１記載の電磁継電器。
3. 前記フレームは本質的に矩形の形状を有し、前記矩形の少なくとも二つの辺にはサイドウェブが配置され、かつ前記トーションウェブは二つの対向するサイドウェブの間に伸長する、請求項２記載の電磁継電器。
4. 前記フレームは本質的に円形の形状を有し、前記トーションウェブは前記フレームの中央を通って放射状に伸張する、請求項２記載の電磁継電器。
5. 前記トーションウェブは、前記接点ブリッジ用の前記固定点の領域内に、拡大領域を有する、請求項２から請求項４の一つに記載の電磁継電器。
6. 前記トーションウェブは前記拡大領域に切り抜きを有し、前記固定点は、前記トーションウェブの一つに直交するさらなるトーションウェブを介して支持される、請求項５記載の電磁継電器。
7. 前記接点ブリッジは本質的に平坦な形状を有し、前記電気接点は一つの平面内に配置されている、請求項１から請求項６の一つに記載の電磁継電器。
8. 前記接点システムは、各々が三相のうちの一つに対応する三つの固定接点を有し、前記接点ブリッジは前記三相の星形ポイントを形成する、請求項１から請求項７の一つに記載の電磁継電器。
9. 前記ヨークは前記磁界に依存して可動であり、前記電機子は前記ヨーク内に統合されている、請求項１から請求項８の一つに記載の電磁継電器。
10. 前記コアは、縦方向の脚部と極面を形成する二つの横方向の脚部とを有する本質的にＴ字形の形状を有し、前記縦方向の脚部は軸方向に前記電磁コイルを通って伸長し、前記ヨークは本質的にＵ字形に前記極面を囲み、前記極面に平行な前記ヨークの基底面は前記電機子を形成する、請求項９記載の電磁継電器。
11. 前記接点ブリッジは、前記極面に本質的に平行になるように、Ｕ字形の前記ヨークの脚部に配置されている、請求項１０記載の電磁継電器。
12. 前記接点ばねは平坦な形状を有し、前記電気接点によって規定される面に本質的に平行である、請求項１から請求項１１の一つに記載の電磁継電器。
13. 前記接点ばねは金属で製造される、請求項１２記載の電磁継電器。
14. 前記接点ブリッジは本質的に三角形の形状を有し、前記電気接点はこの三角形の各頂点に配置されている、請求項１から請求項１３の一つに記載の電磁継電器。
15. 前記接点ブリッジは本質的に円形の形状を有し、前記電気接点はその円周に沿って均等に配置されている、請求項１から請求項１４の一つに記載の電磁継電器。
16. 電磁コイルにより発生する磁界を案内する、可動電機子を有する回路と共に、電磁継電器を構成する接点システムにおいて、
    前記磁界に依存して作動可能な少なくとも三つの可動電気接点を有する接点ブリッジと、
    前記電機子に固定された接点ばねと、を有し、
    前記接点ばねは、開口部を有し、前記電気接点が前記開口部から固定接点と接離可能に 進退するよう前記接点ブリッジを弾性支持し、
    前記接点ブリッジは、前記固定接点との電気的接続を形成する際に前記電気接点が前記接点ばねを通り抜けるような態様で前記接点ばねに固定されている、
    ことを特徴とする接点システム。
17. 前記接点ブリッジは本質的に平坦な形状を有し、前記電気接点は一つの平面内に配置されている、請求項１６記載の接点システム。
18. 各々が三相のうちの一つに対応する三つの固定接点を有し、前記接点ブリッジは前記三相の星形ポイントを形成する、請求項１６または請求項１７記載の接点システム。
19. 前記接点ブリッジは本質的に三角形の形状を有し、前記電気接点は前記三角形の各頂点に配置されている、請求項１６から請求項１８の一つに記載の接点システム。
20. 前記接点ブリッジは本質的に円形の形状を有し、前記電気接点は前記円形の円周に沿って均等に配置されている、請求項１６から請求項１８の一つに記載の接点システム。
21. 前記回路は、ヨークを更に有し、
    前記接点ばねは、前記ヨークに接続可能なフレームと、前記フレームの内側を通って伸長しかつ前記接点ブリッジ用の固定点を有する少なくとも一つのトーションウェブとを有する、請求項１６記載の接点システム。
22. 前記フレームは本質的に矩形の形状を有し、前記矩形の少なくとも二つの辺にはサイドウェブが配置され、かつ前記トーションウェブは二つの対向するサイドウェブの間に伸長する、請求項２１記載の接点システム。
23. 前記フレームは本質的に円形の形状を有し、前記トーションウェブは前記フレームの中央を通って放射状に伸長する、請求項２１記載の接点システム。
24. 前記トーションウェブは、前記接点ブリッジ用の前記固定点の領域内に、拡大領域を有する、請求項２１から請求項２３の一つに記載の接点システム。
25. 前記トーションウェブは前記拡大領域内に切り抜きを有し、前記固定点は、前記トーションウェブの一つに直交するさらなるトーションウェブを介して支持される、請求項２４記載の接点システム。

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