JP4358308B2 - 電気機械開閉器 - Google Patents

Description

この発明は、少なくとも１つの可動接点とこれに属する駆動部とを開閉器ケースの中に備え、開閉状態を無接触で識別するための手段として開閉器ケースの内部及び／又は外部の適当な位置に配置され、複数の開閉状態のそれぞれ１つに関係した磁界値を検出する磁気センサを備え、さらに開閉器ケースに手動トリップのための操作ハンドルを備えている電気機械開閉器に関する。
電気機械開閉器の開閉状態は、開閉機構のトリップ動作を特徴とし、それ故、例えば、通常備わっている磁石接極子の操作ハンドル或いはこれに属するバイメタルのような特定の部品の位置の変化を検出することによって、また過電流或いは短絡の際の強力な磁界の発生によって検出することができる。
先願の未公開ドイツ特許出願第１９６０７４２号明細書においては、差動ホール効果（ＤＨＥ）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサや異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサのような磁気感応センサが設けられ、これにより特に回路保護遮断器の操作ハンドルの動きをこれに結合された駆動片の回転運動から検出している。
前記のＤＨＥ、ＧＭＲ及びＡＭＲセンサはそれぞれ集積化された電子部品を有し、標準化された出力信号を発生するが、この場合、ＧＭＲセンサは付加的な差動増幅器を必要とする。さらに、ＧＭＲセンサは、磁気的な過負荷に対してセンサ特性の安定性に欠陥があるという特異性を持っている。総体的に前記センサは比較的高価である。
この発明の課題は、このような事情に鑑み、磁界が通る部品の位置を監視するために堅牢でかつ安価なセンサ要素を備えた開閉器を提供することにある。
この課題は、この発明によれば、高感度の磁気センサとしてフェライト鉄心を備えた小形インダクタンス素子を設け、これにより操作ハンドル或いはこれに結合された部品の位置を監視し及び／又は開閉器に流れる電流を検出することにより解決される。
好ましいことに、それ自体公知のこのような小形インダクタンス素子は開閉器における開閉状態の認識に応用するのに適している。
この発明においては、小形インダクタンス素子のフェライト鉄心の透磁率が外部磁界の作用により変化せしめられ、特に際立った軸方向の構造の場合に明瞭な磁界方向感度がある。小形インダクタンス素子の変化するインダクタンスは、特に発振回路により測定することができる。
従来の技術において、小形インダクタンス素子は種々の構成で公知である。これらは大量生産で製造され、大量生産品として成熟しており、また好ましいことに極めて安価である。この発明における特定目的の使用のために、外部磁界の作用により透磁率を変える小形インダクタンス素子のフェライト鉄心は、本来のセンサ手段として作用する。
この発明のその他の詳細及び長所を、図面を参照した以下の実施例の説明とその余の請求項とに関連して説明する。図面において、
図１はインダクタンスセンサとこれに付属する永久磁石とを開閉器ケースの外部に備えた開閉器を、
図２は図１のセンサ配置と駆動片を、位置関係を明らかにするために分解して、
図３は図１において使用されたインダクタンスセンサのインダクタンス変化を測定する評価回路を、
図４は回路保護遮断器の手動遮断のオシログラムを、
図５は差動インダクタンスセンサのインダクタンス変化を測定するための対称的構成の評価回路を、
図６は差動インダクタンスセンサを備えた回路保護遮断器の手動遮断のオシログラムを、
図７乃至９はそれぞれ開閉挙動を明らかにするためのオシログラムを、
図１０は図１に相当する開閉器で、インダクタンスセンサとこれに付属する、磁界補強鉄片を備えた永久磁石とが操作コイルにおける電流計測のために開閉器の外部に取付けられているものを、
図１１は図１０の要部を明らかにするための分解図を、
図１２乃至１４は図１０による開閉器における開閉挙動のオシログラムを、
図１５は角度或いは近接センサとして永久磁石を備えた小形インダクタンス素子の配置を、そして
図１６は図１５の作用を説明するためのオシログラムを示す。
図１は、回路保護遮断器のセンサ部分の、試験装置に選ばれた空間的配置を示し、センサ部分は開閉器ケースの外部に、このケースの側壁に対して僅かな間隔で配置され、開閉器の上に投影して示されている。開閉器１には、公知のように、接続端子２及び３、固定接点４及び可動接点５からなる接点装置、接続線７としてバイメタルを備えた接続部並びに電磁コイル８が簡略化されて示されている。固定接点４は剛性の接点支持体４０の上に、可動接点５は強磁性物質からなる駆動片５１及び回転ハンドル５２を介して動かされる可動接点支持体５０の上に設けられている。
この投影図示において、可動接点支持体５０の「下」に永久磁石１１が取り付けられ、これにリード６１、６２を備えたインダクタンスセンサ６０が付設されている。永久磁石１１は磁界強化鉄片１２を備えている。
強磁性駆動片５１の位置をインダクタンスセンサ６０で捉えるために、永久磁石１１は駆動片５１に磁気的に結合されており、磁界強化のために鉄片１２が永久磁石１１の駆動片５１の反対側に取り付けられている。この鉄片はインダクタンスセンサ６０のほぼ真ん中まで突き出ている。
図２においてインダクタンスセンサ６０は、駆動片５１と鉄片１２とからなるＵ字形の磁気回路のほぼ平行な脚の間にあり、この磁気回路の横脚は永久磁石１１により形成されている。磁化方向は、この場合、磁界が図１の紙面に対して垂直に永久磁石１１から出るように選ばれている。
図３の評価回路では、矩形波発生器１０１により、例えば±１５Ｖの振幅、〜１ＭＨｚの周波数及び〜１ｍＡの電流が信号回路に供給され、その出力信号は差動増幅器１１１を介してさらに処理される。
強磁性の駆動片５１が遮断位置から投入位置に回転する際のインダクタンスセンサ６０における磁束の変化により、例えばそのインダクタンス値は４５０μＨ（＝Ｌ_aus）から４７０μＨ（＝Ｌ_ein）に変化する。この比較的小さい、４％の相対インダクタンス変化を測定することができるように、測定回路は本来の測定分路の他に零差電圧を規定するための補償分路を有している。この両測定分路は、ダイオード特性に関係する出力電圧の温度ドリフトを回避するために、殆ど同一に構成されている。個々には、この測定分路においてそれぞれＲ₁＝１０ｋΩを持つ抵抗１０２と、Ｃ₃＝１００ｎＦ及びＲ₃＝１０ｋΩを持つＲＣ回路１０３、１０３’とが設けられている。Ｌはインダクタンスセンサ６０の変化するインダクタンスを示す。インダクタンスセンサ６０にはＣ₁〜６．８ｎＦを持つキャパシタンス１０４が接続されて一方の評価分路を形成し、他方の評価分路にはＲ₂＝４．７ｋΩを持つ抵抗１０５が接続されている。これらの信号分路においては、ダイオード１０６を介して整流が行われている。ＲＣ回路は信号積分の作用をする。
図４は、これに関連してセンサ信号Ｉｓの時間的経過と開閉器に流れる電流Ｉの磁界による影響とを示す測定オシログラムである。インダクタンスセンサ６０の位置における、例えば隣接の回路保護遮断器の鉄部分による磁界の歪みを回避するために、例えば０．８ｍｍの鉄片を備えたシールドがセンサ装置の外側に設けられる。このオシログラムから明らかなように、磁界は永久磁石の磁界に重畳され、インダクタンスセンサ６０の位置信号を変調する。
図５においては図３の評価回路が、インダクタンスＬ１及びＬ２を持つ２つのインダクタンスセンサ６０ａ及び６０ｂの差動接続が行われるように変形されている。この場合、これらのセンサ６０ａ及び６０ｂのそれぞれは、Ｃ₁〜６．８ｎＦを持つキャパシタンス１０４を介してそれぞれ評価分路の１つに接続されている。その他の点ではこの構成は図１に示された構成に一致する。このような差動インダクタンスセンサは、開閉器に流れる電流の非常に小さい異常信号を供給する。
図６のオシログラムから個々に分かるように、図４と比較して磁界による信号変調は差動インダクタンスセンサにおいてはかなり小さい。理想的な場合には、差動評価においては位置信号が弱められず、一方両センサにおけるほぼ同じ大きさの異常信号は抑制される。
図１で説明された回路保護遮断器を約１００Ａで短絡トリップする場合、差動インダクタンスセンサ６０’の異常信号は投入状態と遮断状態との間で約半分の信号偏差に達する。磁界の影響は、その場合、主としてトリップコイルから生じ、これは個々には図７乃至９のオシログラムから導き出される。
特に磁気的にバイアスされたインダクタンスセンサの磁界感度は、大まかな電流測定のためにも利用できる。これについて図１０及び１１を参照して、図１に従った開閉器の配置構成で説明する。この構成においては、磁気コイル８の影響がおよぶ範囲内にあるよう、インダクタンスセンサ６０’が開閉器ケースの外壁から２ｍｍの距離に配置されている。このインダクタンスセンサ６０’にも、また磁界補強鉄片１２’を備えた永久磁石１１’が付設されている。特に図１１から明らかなように、インダクタンスセンサ６０’でもってトリップコイル８における磁界を検出することにより、大まかな電流測定が可能である。センサの磁気バイアスによって、その感度が高められているからである。
異なる電流経過が種々の出力段階を持つ２２０Ｖ交流電圧における電気負荷でシミュレートされ、図１２乃至１４に測定オシログラムとして示されている。この場合、センサ信号Ｉ_ISと電流計の正確な電流信号Ｉ_Stとには相対的に良好な比例性が得られる。測定信号経過の相対偏差は、この例では２０％以下である。このための前提は、安定した発生器周波数及び発生器振幅によって、零差電圧が実際に０Ｖに調整されることである。
上述の小形インダクタンス素子は、センサ要素として永久磁石が利用される場合、その他に近接或いは角度センサとしての開閉器において適用可能である。これを、図１５を参照して説明する。
図１５は回転可能に支承された永久磁石１１”に対するインダクタンスセンサ６０”の配置関係を個別的に示す。センサ６０”のインダクタンス信号は図３の評価回路によってさらに処理され、図１６にオシログラムとして示されている。
図１６はオシログラフで測定された電圧信号Ｗｓと回転角との関係を示す。このセンサ信号はセンサ６０”と永久磁石１１”との間の距離に関係し、その周期は回転角の１８０°である。従って、９０°の半周期に対して回転角及びセンサ信号は互いに一義的に関係している。
図１６の測定信号の経過は、評価回路の調整により影響を受け、ほぼサイン２乗曲線を持っている。その場合、感応測定範囲は約２５°の回転角範囲にわたっている。測定信号は、図１６によれば、６０°乃至１２０°の回転角の範囲でサイン２乗曲線から著しく偏倚しているが、センサのインダクタンスは、０乃至９０°の回転角の範囲でＬ₀〜１８５μＨからＬ₉₀〜９０μＨの間で単調に増大する経過を示す。強い永久磁石の磁界及びこれから生ずる２Ｖの測定信号の大きな電圧偏差により、外部磁界による異常感度は相対的に小さい。
上述の小形インダクタンス素子で構成された角度センサは、それ故、電動機保護開閉器の開閉状態の検出に使用される。この場合、開閉位置及び短絡トリップはその属する波の回転角位置によって特徴付けされている。
特に図３及び５の評価回路は、小形インダクタンス素子を上述のように適用する場合には電子部品の経費が小さく、そしてこの経費は、主として電流負担が小さい場合には、高い周波数及び振幅定数を持った矩形波発生器と、０Ｖに関係する出力信号を形成するための差動増幅器とに関係することを示す。従って、僅かな付加的な経費しか必要としない、位置監視機能を備えた開閉器が実現される。

Claims (8)

1. 少なくとも１つの可動接点とこれに属する駆動部とを開閉器ケースの中に備え、開閉状態を無接触で識別するための手段として開閉器ケースの内部及び／又は外部の適当な位置に配置され、複数の開閉状態のそれぞれ１つに関係した磁界値を検出する少なくとも１つの磁気センサを含む手段が設けられ、さらに開閉器ケースに手動トリップのための操作ハンドルを備えかつその位置が監視される電気機械開閉器において、
   高感度の磁気センサが小形インダクタンス素子であって、フェライト鉄心と共にインダクタンスセンサ（６０、６０ａ、６０ｂ、６０’、６０”）を形成し、該インダクタンスセンサのフェライト鉄心の透磁率が外部磁界の作用により変化され、該透磁率の変化に伴う小形インダクタンス素子のインダクタンス値の変化が評価回路により測定され、この測定結果に基づき操作ハンドル（５２）或いはこれに結合された部分（５１）の位置を監視し及び／又は開閉器（１）に流れる電流を検出することを特徴とする電気機械開閉器。
2. 小形インダクタンス素子においてフェライト鉄心の透磁率が外部磁界の作用により変化すること及び軸方向配置において明らかな磁界方向感度が備わっていることを特徴とする請求項１に記載の開閉器。
3. 小形インダクタンス素子のインダクタンス値（Ｌ、Ｌ₁、Ｌ₂）が発振回路（１００）で評価されることを特徴とする請求項１又は２に記載の開閉器。
4. 小形インダクタンス素子と、永久磁石（１１）と、磁界補強のための付加的な鉄片（１２）とを備えたインダクタンスセンサ（６０）が操作ハンドル（５２）の投入及び／又は遮断状態を検出するためにこの操作ハンドル（５２）の強磁性駆動片（５１）の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の開閉器。
5. 評価回路（１００）が方形波発生器（１０１）から給電され、この出力信号が差動増幅器（１１１）を介してさらに処理されることを特徴とする請求項３に記載の開閉器。
6. ２つのインダクタンスセンサ（６０ａ、６０ｂ）の差動接続が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の開閉器。
7. トリップ手段として磁気コイルが設けられ、インダクタンスセンサ（６０”）の磁界感度がこのトリップコイル（８）における電流測定に利用されることを特徴とする上記請求項１ないし６の１つに記載の開閉器。
8. センサ要素として、開閉器（１）の監視される構造部品に結合されている永久磁石（１１”）が設けられて、小形インダクタンス素子が近接及び／又は角度センサとして使用されることを特徴とする請求項７に記載の開閉器。

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