JP5041311B2 - 直流および交流駆動用接触器 - Google Patents

Description

本発明は、固定接触子と可動接触子とを備える少なくとも１個の接点、永久磁石吹消しフィールドを発生させる、前記接点に隣接して配置された少なくとも１個の永久磁石、および接点が開いているときに形成されるアークを少なくとも１個のアークチャンバ内へ吹き込む電磁気吹消しフィールドを発生させる、前記接点に隣接して配置された少なくとも１個のコイルを含む、直流および 交流駆動用接触器に関する。

このような接触器は例えば、鉄道システムにおける負荷の切換や大電流または高電圧の電気回路の遮断に用いられる。切換操作の間、すなわち接点が開いているとき、固定接触子と可動接触子との間にアークが形成される。このアークによって接触子間の電流フローが維持される。その上、アークから大量の熱が放出され、その結果、接触子が腐食して接触器の寿命が短くなってしまう。さらに、アーク作用の影響を受けた装置領域全体が、非常に大きな熱負荷に晒されることになる。こうした理由から、迅速な消弧が必要とされている。

用途に応じた様々な消弧方法が知られている。例えば一般に、一定方向の電流の直流駆動に用いられる接触器は、磁界の方向がアークと垂直になるように配置された永久磁石吹消しフィールドを有する。吹消しフィールドはアークにかかる力であるローレンツ力を発し、この力によってアークはアークチャンバの方向へ移動させられる。

二方向性直流駆動用としては、例えば多数の交番作動パンタグラフを備えるトラムの分野またはＩＣＥにおける、エネルギー回復に用いられるものが知られている。交流駆動用としては、アーク内の電流は方向が交番するので、純粋な永久磁場を用いることができない。従ってこれらの分野において、電磁気吹消しフィールド（electromagnetic blowout field）を発生する、いわゆる吹消しコイルが一般に使用されている。電磁気吹消しフィールドの方向は電流の方向に応じて決まる。いずれの場合においても、電流の方向にかかわらず、適切な方向の力がアークに印加される結果となる。

しかしコイルの使用には多くの不利な点がある。鉄道の分野では一般的なことだが、大電流が恒久的にコイルを通過する場合、大量の熱を発する。従って、停止の瞬間までコイルの作動を遅らせることが知られている。しかし、コイルは時間遅延と共に電磁気吹消しフィールドを蓄積し（Ｅ関数（E-function））、その結果、接触器の接触領域におけるアークの滞留時間が延びる。

一方、小電流の場合、コイルは小さな吹消しフィールドしか蓄積しない。その結果、アークをアークチャンバ内に移動させて消弧を引き起こすのに、吹消しフィールドが十分ではないことがある（臨界電流範囲）。

永久磁石とコイルを組み合わせて吹消しフィールドを発生させる単遮断の遮断器として、独国特許ＤＥ２９８ ２３ ７１７Ｕ１に記載のものがある。遮断器の接点または遮断点は、第１の入力導線に接続された固定接触子と、電線を介して第２の入力導線に接続された可動接触子とを備える。永久磁石および吹消しコイルが接点の周辺に配置されており、吹消しコイルが可動接触子と同じ入力導線に接続されていることを特徴とする。接点が開放されると、可動接触子は、コイルに電気伝導的に接続された集電装置（catching shoe）内へ移動する。その結果、アークは永久磁石によって集電装置の方向に発生した吹消しフィールドによって吹かれ、この集電装置を飛び越える。コイルがこのように作動するのは、集電装置が電気伝導的にコイルに接続されているからである。コイルは次いで、アークをアークシュート内に吹き込む電磁気吹消しフィールドを蓄積する。

この遮断器は、可動接触子が撓み線で入力導線に接続されている必要があり、可動接触子が大きな開放ストロークを有する、という点で好ましくない。その上更に、集電装置は複雑な構造をしており、少なくとも対向する２側面から可動接触子を挟むものでなくてはならない。
、独国特許ＤＥ２９８ ２３ ７１７Ｕ１

従って、本発明は、直流駆動、二方向性直流駆動、および交流駆動用に用いることができ、臨界電流範囲を除いて迅速に消弧する接触器を提供することを目的とする。同時に、単純なデザインの構造やコストのかからない製造という観点を考慮する必要がある。

前記目的は、接触器が少なくとも２個の接点を含み、可動接触子が接触ブリッジ上に配置され、接点それぞれに隣接して少なくとも１個の永久磁石が配置され、そして２個の接点に割り当てられた永久磁石の磁極性が反対方向に向けられている、という本発明の特徴によって達成される。

永久磁石は、２個の接点の領域内で、永久磁石吹消しフィールドの磁極性を反対方向に向けて永久磁石吹消しフィールドを発生する。その結果、永久磁石吹消しフィールドは、接点が開くと形成される２個のアークに直ちに作用する。第１の接点におけるアーク中の電流方向は第２の接点におけるアーク中の電流方向と逆なので、２個のアークは２個の永久磁石吹消しフィールドによって同じ方向に移動させられる。このようにして、電流の向きにかかわらず、アークのうち一つが常に電磁気吹消し領域の方向に吹かれ、永久磁石吹消しフィールドによってアークチャンバ内に吹き込まれる。

２個の可動接触子を備えているので、１個の遮断しかない場合と比べ、半分の開放ストロークしか必要としない。従って、磁気装置の作業ストロークを大きくするために必要とされる、費用がかかり場所を取る構造なしで済ますことが可能である。接触ブリッジ上に可動接触子を配置した結果、直線的な開放動作が可能となり、よって撓み線なしで済ますことが可能である。

一実施形態において、アークガイド板がそれぞれの接点に隣接して配置され、かつ固定接触子から隔離されており、吹き消しコイルはそれぞれの固定接触子とそれぞれのアークガイド板とに電気伝導的に接続されている。接点が開いているときに形成されるアークが、 強い永久磁石吹消しフィールドによって吹かれて固定接触子からアークガイド板へ飛ぶまで、コイルは作動しない。従ってコイルの寸法を比較的小さなものとすることができ、加熱を防ぐことができる。

更なる実施形態によると、接点に隣接して配置された極板が永久磁石に割り当てられる。極板を設けることで、特に接点の領域で作用する、増大した均一な永久磁石吹消しフィールドが発生する。その結果、永久磁石吹消しフィールドは、接触子が開くと形成されるアークに直ちに作用し、アークを迅速に接点から引き外して、接触子の腐食を低減させる。

その上更に、極板が吹消しコイルに割り当てられ、この極板がアークガイド板に隣接して配置される。アークが永久磁石領域を通過してからアークガイド板へ飛び越してくるまで、コイルは作動しない。均質な電磁気吹消しフィールドが、コイルの極板によってアークガイド板の領域および消弧領域内に蓄積される。その結果、アークガイド板上のアークは、電流方向とは関係なく永久磁石領域から移動させられ、引き伸ばされる。

更なる態様によると、１個のアークチャンバがアークガイド板に隣接して配置される。アークは吹消しフィールドによってアークチャンバ 内に移動させられ、そこで引き伸ばされ冷却されその結果消滅する。アークチャンバは、例えば、平行に隣り合って配置された消弧ブレードまたはセラミック体から構成することができる。両方の接点のアークが電流方向に応じて同一のアークチャンバ内へ吹き込まれるので、コンパクトな構造の接触器が可能となる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は接触器１の内部の斜視図である。接触器は、２個の接点２，３を含み、それぞれの固定接触子４，５とそれぞれの可動接触子６，７とを備える。可動接触子６，７は１個の接触ブリッジ８上に配置されている。接触ブリッジ８は磁気装置（図示せず）によって駆動され、可動接触子６，７が固定接触子４，５に触れている閉位置から開位置へ移動させることができる。開位置において、可動接触子６，７は固定接触子４，５から離間している。アークガイド板９，１０はそれぞれの接点２，３において固定接触子４，５に隣接して配置されている。アークガイド板９、１０はそれぞれの空隙１１，１２によって固定接触子４，５から隔離している。さらに、少なくとも１個の永久磁石１３，１４がそれぞれの接点２，３に配置されている。永久磁石１３，１４は、その磁界が接点２，３が開いたときに形成されるアーク１５，１６と垂直になるように、配置されている。接点２に配置される永久磁石１３の磁界の方向は、接点３に配置される永久磁石１４の磁界の方向と逆である。

接触器１は、永久磁石１３，１４に隣接して配置される２個のコイル１７，１８をさらに含む。コイル１７は、接点２の固定接触子４とこれに隣接して配置されたアークガイド板９とに、電気伝導的に接続される。コイル１８は同様に、接点３の固定接触子５とアークガイド板１０とに、電気伝導的に接続される。

アークガイド板９，１０は、接触ブリッジ８に対して実質的に垂直に走るアークガイドシャフト１９を接点２，３に隣接して形成し、アークガイドシャフト１９を通じてアーク１５，１６がコイル１７，１８の吹消しフィールドによって吹かれるように、構成される。アークガイド板９、１０は、このアークガイドシャフト１９に沿って膨らんでいる。１個のアークチャンバ２４は、アークガイド板９，１０ に隣接して配置される。

一対の極板２０が、接点２に配置された永久磁石１３に割り当てられ、２枚の極板が接触ブリッジ８の両側に位置するようになっている。接点３は接点２と実質的に同様に形成されているので、一対の極板２１が、接触ブリッジ８の両側に位置するように、永久磁石１４に割り当てられる。 図１は接点２，３それぞれの極板対２０，２１のうち一方のみの極板を示している。極板対２０，２１の極板は磁化可能な材料からなり、それぞれ永久磁石１３または永久磁石１４によって極性を与えられ、その結果均質な永久磁石吹消しフィールドを生じる。 極板対２０，２１は、それにより発生する磁界が接点２，３の領域を貫通するように形成される。

一対の極板２２がコイル１７に割り当てられ、一対の極板２３がコイル１８に割り当てられる。極板対２２，２３の極板は、特にアークガイドシャフト１９とアークガイド板９，１０の領域にまたがるように形成される。第１のアークルートがアークガイド板９，１０のうち一つに飛び越えてくるまでコイル１７，１８は作動しないため、電磁気吹消しフィールドは特にこの領域で作用する必要がある。

以下、接点２，３が開放したときの接触器１における過程を、図１〜３を用いて説明する。

図１は開放の瞬間の接触器を示す。接触ブリッジ８上に配置された可動接触子６，７が固定接触子４，５から離間するように、接触ブリッジ８が磁気駆動（図示せず）によって移動する。その結果アーク１５，１６が接点２，３に形成される。永久磁石１３と極板２０とによって発生した永久磁石吹消しフィールド、ならびに反対方向に向いた永久磁石１４と極板２１とによって発生した永久磁石吹消しフィールドは、直ちにアーク１５，１６に作用する。

これを図２に示す。アーク１５中の電流方向はアーク１６中の電流方向と逆なので、２個のアーク１５，１６は永久磁石吹消しフィールドによって同じ方向に（図の場合は左方向に）吹かれる。その結果アーク１６はアークガイドシャフト１９の方向に吹かれ、空隙１２を飛び越える。接触器の電気回路は閉じたままであり、 電流は、固定接触子４からアーク１５、接触ブリッジ８、 アーク１６、アークガイド板１０およびコイル１８を経て、固定接触子５へと流れる。その結果コイル１８はアークガイド板１０へ飛び越してきたアーク１６によって作動し、電磁気吹消しフィールドを発生する。これも同様にアーク１６に作用する。その結果、アーク１６の第２のアークルートは概して接触ブリッジ８からアークガイド板９へ飛び越えてくる（図３参照）。アーク１５は消滅する。

接触器１の電気回路は閉じたままであり、電流は、固定接触子４からコイル１７、アークガイド板９、アーク１６、アークガイド板１０およびコイル１８を経て、固定接触子５へと流れる。アーク１６の第２のアークルートが接触ブリッジ８からアークガイド板９へ飛び越えた結果、コイル１７は、同様に電磁気吹消しフィールドを発生するように作動する。このようにして、最終的にアークチャンバ２４内で消滅するまで、アーク１６はアークガイドシャフト１９から吹き出されてアークガイド板９，１０で引き伸ばされる。

非常に小さな電流と高電圧を同時に用いる場合（臨界電流範囲）、アーク１６の第２のアークルートが接触ブリッジ８からアークガイド板９へと飛び越すのに、コイル１８の電磁気吹消しフィールドが十分でないことがある。この場合アーク１５はすぐには消滅せず、アーク１６に直列接続して焼け続ける。この場合、アーク１５は消滅するまで永久磁石１３の永久磁石吹消しフィールドによってさらに引き伸ばされる。アーク１５が消滅すると即座に、アーク１６も消滅する。従って、永久磁石１３は臨界電流範囲の制御）に有利に寄与する。

開放の瞬間の接触器内の電流方向が上記した場合と反対であれば、アーク１６ではなくアーク１５がアークガイドシャフト１９に導かれ、まずアークガイド板９へと飛び越してくる。残りの消弧過程は、上述の実施態様と同様である。

接触器１は交流駆動に用いることも可能である。というのはアーク１５，１６のうち一つがアークガイド板９，１０へ飛び越えてくると、コイル１７，１８のうち一つが作動して、電流方向と共に方向を変える電磁気吹消しフィールドが生じ、その結果、対応するアーク１５，１６がアークチャンバ２４内に常に移されて、そこで消滅するからである。永久磁石１３，１４は、交流駆動において、アーク１５とアーク１６とのいずれかが、それに対応するアークガイド板９，１０上で半波長の間に吹かれて対応するコイル１７，１８が作動するように、選択される。電流方向が次の半波長で変わると、電磁気吹消しフィールドの方向も反転してアークはアークチャンバ２４の方向に更に吹かれる。

接点開放時の、接触器の部分断面斜視図である。 第１の吹消しコイルが作動した後の、接触器の部分断面斜視図である。 第２の吹消しコイルが作動した後の、接触器の部分断面斜視図である。

Claims (5)

1. 直流および交流駆動用接触器であって、
   前記接触器は、
   少なくとも２個の固定接触子と少なくとも２個の可動接触子とを備える少なくとも２個の接点と、
   第１及び第２永久磁石吹消しフィールドを発生させる、それぞれの前記接点に隣接して配置された少なくとも２個の永久磁石と、
   それぞれの前記接点が開いているときに形成される少なくとも２個のアークを少なくとも１個のアークチャンバ内へ吹き込むために、第１及び第２電磁気吹消しフィールドを発生させ、それぞれの前記接点に隣接して配置され、かつ、それぞれの前記永久磁石とは離れて配置された少なくとも２個のコイルと、
   前記それぞれの接点に隣接して配置され、かつ、それぞれの前記固定接触子から隔離されて配置された少なくとも２枚のアークガイド板と、
   を含み、
   それぞれの前記可動接触子は、接触ブリッジ上の端部に配置され、
   それぞれの前記コイルは、それぞれの前記固定接触子と、それぞれの前記アークガイド板とに電気伝導的に接続され、
   それぞれの前記接点に割り当てられたそれぞれの前記永久磁石の磁極性が反対方向に向けられることで異なる磁極性を有する前記第１及び第２永久磁石吹消しフィールドにより、それぞれのアークが同一方向に移動し、
   一のアークは消滅し、他のアークは順次発生する前記第１及び第２電磁気吹消しフィールドによりアークチャンバ内で消滅するように構成されていることを特徴とする接触器。
2. それぞれの前記接点に隣接して配置された一対の第１極板のそれぞれが、それぞれの前記永久磁石に割り当てられることを特徴とする請求項１に記載の接触器。
3. 一対の第２極板のそれぞれがそれぞれの前記コイルに割り当てられ、かつ、それぞれの前記アークガイド板に隣接して配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の接触器。
4. 前記アークチャンバが前記アークガイド板のうちいずれか１枚に隣接して配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の接触器。
5. アークガイドシャフトが、前記接触ブリッジに対して実質的に垂直に走るようにそれぞれの前記接点に隣接して配置され、
   それぞれの前記アークガイド板は、前記他のアークが前記アークガイドシャフトを通じて前記第１及び第２電磁気吹消しフィールドにより吹かれるように構成されることを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の接触器。

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