JP5243565B2 - 電磁開閉器 - Google Patents

Description

本発明は、高電圧直流電力を開閉する電磁開閉器に関する。

電磁開閉器とは、電線路の電源を開閉するために使用される装置をいう。前記電磁開閉器は、産業用はもちろん、家庭用などに広く使用されている。近年、電気自動車の開発が広がるにつれて、前記電磁開閉器は、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車、ゴルフカートなどの電気自動車の直流電源開閉用に適用されている。

このような電磁開閉器においては、高電圧の直流電源を遮断するときにアークが発生する。このアークは固定電極と可動接触子に隣接して配置される永久磁石により制御されるので、前記電磁開閉器の消弧部及び駆動部がアークにより焼損することを防止することができる。

図４は、従来の電磁開閉器を示す断面図である。同図に示すように、従来の電磁開閉器は、固定電極１８を有するケース３０の内部に固定設置され、後述する可動部を駆動するための駆動力を与える磁気駆動部と、前記磁気駆動部により上下方向に移動して固定電極１８に選択的に接触することで電源を開閉するように、ケース３０の内部に移動可能に設けられる可動部と、前記可動部の上部周囲に備えられ、前記電磁開閉器の消弧ガスを密閉するための消弧ガス室２０を形成するガス密閉部とから構成される。

前記磁気駆動部は、電流を供給すれば励磁され、電流の供給を遮断すれば消磁されて磁気吸引力を発生する励磁巻線１１と、励磁巻線１１の上部に設けられる上部ヨーク１２と、上部ヨーク１２と接触して励磁巻線１１の外周面及び下部を囲むように設けられる下部ヨーク１３と、励磁巻線１１により囲まれ、ケース３０の内部に固定設置される固定コア１４と、固定コア１４の軸方向一側に配置され、励磁巻線１１により囲まれ、ケース３０の内部で移動可能に設置される可動コア１５とからなる。固定コア１４と可動コア１５との間には、励磁巻線１１が消磁されると可動コア１５を元の位置、すなわち固定コア１４から離隔した位置に復帰させる弾性力を与えるように、復帰スプリング２５が設けられる。

前記可動部は、可動コア１５に結合されて上下方向に移動可能に設けられるシャフト１６と、シャフト１６の上端部に設けられて固定電極１８との電気的接点部を形成する可動接触子１７とからなる。可動接触子１７と上部ヨーク１２との間には、可動接触子１７が固定電極１８に接触する電磁開閉器のオン位置にあるときに接点間の接触圧力を維持するための接圧スプリング２６が設けられる。

前記ガス密閉部は、管状に形成される絶縁部材２２と、絶縁部材２２と上部ヨーク１２間を気密に密閉するように管状に形成される気密部材２３と、可動コア１５及び固定コア１４を囲んで密閉するように設置される密封キャップ２４とからなる。

図中、符号２１は、励磁巻線１１を周囲に巻くことができ、励磁巻線１１を支持するボビンである。

以下、このように構成される従来の電磁開閉器の動作を簡単に説明する。

励磁巻線１１に電流が供給されて磁化されると、励磁巻線１１から発生した磁束は、可動コア１５、固定コア１４、上部ヨーク１２及び下部ヨーク１３で形成される磁束の移動経路に沿って移動して、磁束の閉回路を形成する。すると、可動コア１５が直線移動して固定コア１４に接触し、これと同時に、可動コア１５と共に移動するように接続されたシャフト１６が上方に移動する。すると、シャフト１６の上端部に設けられた可動接触子１７が固定電極１８に接触して直流電源側と負荷側が接続され、直流電力が供給されるオン状態となる。

これに対して、励磁巻線１１に供給される電流を遮断すると、励磁巻線１１が消磁され、励磁巻線１１が消磁されることにより、可動コア１５は復帰スプリング２５により下方、すなわち固定コア１４から離隔した元の位置に復帰する。これにより、可動コア１５と共に移動するように接続されたシャフト１６は下方に移動する。すると、シャフト１６の上端部に設けられた可動接触子１７が固定電極１８から分離されて直流電源側と負荷側が分離され、直流電力の供給が遮断されるオフ状態となる。

ここで、可動接触子１７が固定電極１８から分離される瞬間、図５に示すように可動接触子１７と固定電極１８間にはアークＡが発生し、電圧と電流の大きさに応じてアークの伸び及び持続時間も異なる。場合によっては、アークが上部ヨーク１２やシャフト１６などの構造物領域にまで伸びて損傷を与えることがある。

しかし、このような従来の電磁開閉器においては、上部ヨーク１２と可動接触子１７との間にアーク保護装置が備えられておらず、アークと共に発生する高電圧インパルスや接点飛散物などが上部ヨーク１２やシャフト１６などの電磁開閉器の内部部品に損傷を及ぼすという問題があった。

本発明の目的は、オフ動作で発生するアークから内部部品などを保護できる電磁開閉器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ケースを貫通して固定される固定電極と、前記固定電極に接離する可動接触子と、前記可動接触子に上部が固定されるシャフトと、前記シャフトの下部に取り付けられる可動コアと、前記可動コアに対向する位置で前記シャフトを囲む固定コアと、前記可動コア及び前記固定コアを囲む励磁巻線と、前記励磁巻線を囲んで前記可動コア及び前記固定コアと共に磁束の移動経路を形成する上部ヨーク及び下部ヨークとを含み、前記可動接触子と前記上部ヨークとの間に配置され、前記シャフトを囲んで保護するアーク保護部材を備えることを特徴とする電磁開閉器を提供する。

本発明においては、固定電極及び可動接触子を収容する消弧ガス室にアーク保護部材を備えることにより、可動接触子が固定電極から分離される瞬間に発生するアークから上部ヨークをはじめとする電磁開閉器の内部部品を保護することができ、電磁開閉器の寿命が延びると共に信頼性も向上する。

本発明の一実施形態による電磁開閉器を示す断面図である。 図１の電磁開閉器においてアークが発生した状態を示す断面図である。 図１に示すアーク保護部材の他の実施形態を示す断面図である。 従来の電磁開閉器を示す断面図である。 図４の電磁開閉器においてアークが発生した状態を示す正面図である。

以下、本発明による電磁開閉器を添付図面に示す一実施形態に基づいて詳細に説明する。ただし、従来の電磁開閉器と類似した部分については、本発明の特徴の説明に必要な範囲内で簡単に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による電磁開閉器を示す断面図である。

同図に示すように、本発明による電磁開閉器において、ケース１３０の内部には、駆動巻線である励磁巻線１１１が設けられ、励磁巻線１１１の周辺には、励磁巻線１１１が励磁されると後述する可動コア１１５及び固定コア１１４と共に磁束の移動経路を形成するように、上部ヨーク１１２及び下部ヨーク１１３が設けられる。上部ヨーク１１２は、励磁巻線１１１の上部に設けられ、下部ヨーク１１３は、上部ヨーク１１２に接続されて励磁巻線１１１の外周面及び下部を囲むように設けられる。

また、励磁巻線１１１の内部には、固定コア１１４がシリンダ状に形成され、上部ヨーク１１２により上下方向に固定結合され、固定コア１１４の下側には、可動コア１１５がシリンダ状に形成され、励磁巻線１１１の内部で固定コア１１４に対して上下方向に移動可能に設置される。固定コア１１４と可動コア１１５との間には、励磁巻線１１１が消磁されると可動コア１１５を元の位置、すなわち固定コア１１４から離隔した位置に復帰させる弾性力を与えるように、復帰スプリング１２５が設けられる。ここで、固定コア１１４及び可動コア１１５は、上部ヨーク１１２及び下部ヨーク１１３と共に磁束の移動経路を形成する。

さらに、可動コア１１５には、可動コア１１５と共に上下方向に移動可能なシャフト１１６が設けられ、シャフト１１６の上端部には、ケース１３０に備えられる固定電極１１８に選択的に接触することで電源を開閉する可動接触子１１７が設けられる。可動接触子１１７と上部ヨーク１１２との間には、可動接触子１１７が固定電極１１８に接触する電磁開閉器のオン位置にあるときに接点間の接触圧力を維持するための接圧スプリング１２６が設けられる。

そして、上部ヨーク１１２の上側には、可動接触子１１７と固定電極１１８の接点部を密封収容するように、消弧ガス室１２０が形成される。ケース１３０の内側上部には、固定電極１１８が貫通結合される絶縁部材１２２が設けられ、絶縁部材１２２の開口側には、上部ヨーク１１２の上面に設けられて絶縁部材１２２と共に消弧ガス室１２０を形成する気密部材１２３が設けられる。

さらに、上部ヨーク１１２の上面には、可動接触子１１７が固定電極１１８から分離される瞬間、これらの間に発生するアークから内部部品を保護するためのアーク保護部材２００が備えられる。

アーク保護部材２００は、可動接触子１１７に結合される第１アーク保護具２１０と、消弧ガス室１２０を形成する上部ヨーク１１２の上面を覆って遮蔽するように上部ヨーク１１２の上面に設置され、第１アーク保護具２１０に着脱される第２アーク保護具２５０とからなる。第１アーク保護具２１０は、可動接触子１１７と連動して上下に動作できるように補助スプリング１２８により付勢され、第２アーク保護具２５０は、絶縁部材１２２と上部ヨーク１１２にそれぞれ上下面が固定結合される。

第１アーク保護具２１０は、上下部が開放された管状に形成され、シャフト１１６、接圧スプリング１２６及び補助スプリング１２８の一部を囲む円筒保護部２１１と、円筒保護部２１１の上端から半径方向に垂直に延び、補助スプリング１２８が取り付けられるスプリング取付部２１２とからなる。

第２アーク保護具２５０は、上部ヨーク１１２の上面を覆うように板体で形成されるヨーク保護部２５１と、ヨーク保護部２５１の縁部から環状に突出して絶縁部材１２２に密着する外側保護部２５２と、ヨーク保護部２５１の中央部に円筒状に形成され、第１アーク保護具２１０の円筒保護部２１１と共にシャフト１１６、接圧スプリング１２６及び補助スプリング１２８を囲む内側保護部２５３とからなる。ここで、外側保護部２５２は、気密部材１２３より内側に形成されることが好ましい。

図中、符号１２４は固定コア１１４及び可動コア１１５を囲む密封キャップであり、１４０は永久磁石である。

以下、本発明による電磁開閉器の動作を説明する。

励磁巻線１１１に電流が供給されて磁化されると、励磁巻線１１１から発生した磁束は、可動コア１１５、固定コア１１４、上部ヨーク１１２及び下部ヨーク１１３で形成される磁束の移動経路に沿って移動して、磁束の閉回路を形成する。すると、可動コア１１５が直線移動して固定コア１１４に接触し、これと同時に、可動コア１１５と共に移動するように接続されたシャフト１１６が上方に移動する。すると、シャフト１１６の上端部に設けられた可動接触子１１７が固定電極１１８に接触して直流電源側と負荷側が接続され、直流電力が供給されるオン状態となる。

これに対して、励磁巻線１１１に供給される電流を遮断すると、可動コア１１５は復帰スプリング１２５により固定コア１１４から離隔した元の位置に復帰する。すると、シャフト１１６の上端部に設けられた可動接触子１１７が固定電極１１８から分離されるオフ状態となる。このとき、可動接触子１１７が固定電極１１８から分離される瞬間、これらの間にはアークが発生する。

ところが、図２に示すように、本発明による電磁開閉器は、第１アーク保護具２１０と第２アーク保護具２５０とを備えることにより、オフした瞬間に発生したアークが上部ヨーク１１２やシャフト１１６などの構造物領域にまで伸びることを防止する。従って、電磁開閉器のオフ時に発生するアークによる損傷を防止することができ、電磁開閉器の機械的寿命が延び、動作信頼性が向上する。

これをより詳細に説明すると、第１アーク保護具２１０は、可動接触子１１７の下面に接し、シャフト１１６、接圧スプリング１２６及び補助スプリング１２８を囲み、これらをアークから保護する。また、第１アーク保護具２１０の上端のスプリング取付部２１２には、補助スプリング１２８の上部コイルが取り付けられ、補助スプリング１２８は、第１アーク保護具２１０を上方に加圧して第１アーク保護具２１０を可動接触子１１７に密着させる。すなわち、電磁開閉器のオン動作時、可動接触子１１７が固定電極１１８側に移動して第１アーク保護具２１０と可動接触子１１７間に空間が発生すると、第１アーク保護具２１０が所定の位置から離脱する恐れがある。しかし、補助スプリング１２８が第１アーク保護具２１０を上方に加圧することにより、第１アーク保護具２１０が可動接触子１１７と連動して移動するため、第１アーク保護具２１０は可動接触子１１７から離脱しなくなる。つまり、第１アーク保護具２１０は、アーク及びアークによる飛散物からシャフト１１６や接圧スプリング１２６などの内部部品を保護し、第２アーク保護具２５０は、アークから上部ヨーク１１２を保護する。

以下、本発明によるアーク保護部材の他の実施形態について説明する。すなわち、前述した実施形態のアーク保護部材は第１アーク保護具と第２アーク保護具とから構成されるものであるのに対して、本実施形態のアーク保護部材は一体に形成されるものである。このために、図３に示すように、アーク保護部材３００を単一部品で形成してもよい。例えば、アーク保護部材３００は、上部ヨーク１１２の上面を遮蔽するヨーク保護部３１０と、ヨーク保護部３１０の縁部から上方に所定の高さだけ突設される外側保護部３２０と、ヨーク保護部３２０の中央部から上方に所定の高さだけ突設され、可動接触子１１７の上下運動に応じて長さが変化するように伸縮性を有する内側保護部３３０とからなる。例えば、内側保護部３３０は、蛇腹管状に形成されてもよい。

ヨーク保護部３１０及び外側保護部３２０は、前述した実施形態のヨーク保護部２５１及び外側保護部２５２と同様に形成されるが、内側保護部３３０は、その上端が可動接触子１１７の下面に密着できる長さに形成される。また、本実施形態においては、内側保護部３３０が伸縮性を有するため、内側保護部３３０の上端を可動接触子１１７に固定結合することができ、補助スプリングを必要としない。

一方、永久磁石１４０は、電磁開閉器のオフ時に発生するアークプラズマに流れる電流の方向に垂直な方向に配置され、アークプラズマに磁気駆動力を加える。このように加えられた磁気駆動力は、アークを接点から離脱させて図２に示すように外部方向に移動させ、アークが伸びる。伸びたアークは周辺のガス（空気）により冷却されてプラズマ状態から絶縁状態に変化するメカニズムを有するので、電流が遮断される。このような過程でアークが永久磁石１４０などの影響で伸びたとしても、本発明による電磁開閉器は、アーク保護部材２００、３００により、内部部品のアークによる損傷を防止することができる。

１１１ 励磁巻線
１１２ 上部ヨーク
１１３ 下部ヨーク
１１４ 固定コア
１１５ 可動コア
１１６ シャフト
１１７ 可動接触子
１１８ 固定電極
１２０ 消弧ガス室
１２２ 絶縁部材
１２５ 復帰スプリング
１２６ 接圧スプリング
１２８ 補助スプリング
２００、３００ アーク保護部材
２１０ 第１アーク保護具
２１１ 円筒保護部
２１２ スプリング取付部
２５０ 第２アーク保護具
２５１、３１０ ヨーク保護部
２５２、３２０ 外側保護部
２５３、３３０ 内側保護部

Claims (5)

1. ケースを貫通して固定される固定電極と、
   前記固定電極に接離する可動接触子と、
   前記可動接触子に上部が固定されるシャフトと、
   前記シャフトの下部に取り付けられる可動コアと、
   前記可動コアに対向する位置で前記シャフトを囲む固定コアと、
   前記可動コア及び前記固定コアを囲む励磁巻線と、
   前記励磁巻線を囲んで前記可動コア及び前記固定コアと共に磁束の移動経路を形成する上部ヨーク及び下部ヨークと、
   前記可動接触子と前記上部ヨークとの間に設けられ、前記可動接触子が前記固定電極との接触圧力を維持するように前記可動接触子を付勢する接圧スプリングと、
   前記可動接触子と前記上部ヨークとの間に配置され、前記シャフトを囲んで保護するアーク保護部材と、を含み、
   前記アーク保護部材は、
   前記可動接触子の下面に接して前記接圧スプリングを囲んで保護する第１アーク保護具と、
   前記第１アーク保護具とは別途に備えられ、前記第１アーク保護具と共に前記接圧スプリングを囲むと共に前記上部ヨークの上面を覆って遮蔽する第２アーク保護具とを含み、
   前記アーク保護部材の内部には、前記第１アーク保護具を前記可動接触子側に加圧する補助スプリングがさらに含まれることを特徴とする電磁開閉器。
2. 前記第１アーク保護具の上端には、前記補助スプリングが取り付けられるスプリング取付部が折曲形成されることを特徴とする請求項１に記載の電磁開閉器。
3. 前記第２アーク保護具は、
   前記上部ヨークの上面を覆って遮蔽するヨーク保護部と、
   前記ヨーク保護部の上面から所定の高さを有するように突設され、前記第１アーク保護具に着脱され、前記シャフト、前記接圧スプリング及び前記補助スプリングを囲む内側保護部と
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁開閉器。
4. 前記ケースの内部には、前記ヨーク保護部と共に消弧ガス室を形成するように底面が開口した絶縁部材が設けられ、前記消弧ガス室には、前記固定電極及び前記可動接触子が収容され、
   前記第２アーク保護具は、前記ヨーク保護部の上面に形成され、前記絶縁部材の内周面と密着するように所定の高さを有する外側保護部をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の電磁開閉器。
5. 前記上部ヨークの上面と前記絶縁部材の下面との間には、前記上部ヨークと前記絶縁部材間を密封する気密部材がさらに備えられ、
   前記外側保護部は、前記気密部材より内側に形成されることを特徴とする請求項４に記載の電磁開閉器。

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