JP5496221B2 - 磁気吹き消し磁石を備えたコンタクトブリッジ - Google Patents

Description

本発明は、アークを消滅させるための、複数の磁気吹き消し磁石（blowout magnet）を備えた接触器に関する。

接触器のスイッチ作動の間、磁気吹き消し磁石を含み、固定コンタクトと可動コンタクト間に形成されるアークを消滅させるいくつかの公知技術が知られている。磁気吹き消しのためには、コイルや永久磁石が、磁界の方向がアークに対して垂直になるように、コンタクト近傍に配置される。磁界は、例えば、アークが冷却および消滅用の磁極板に接触するアークチャンバ内に、アークにアークを所望方向へ移動させるローレンツ力を課す。

ドイツ国特許１２４６８５１号明細書によれば、例えば、互いに逆向きの２つのアークの内の少なくとも１つを電流方向に基づいて吹き消す（blow-out）ために、２つの永久磁石が、コンタクトブリッジの２つの各コンタクトの近傍に配置される直流電流スイッチ装置が開示されている。

同様の構成が米国特許出願２００８／００３０２８９号明細書にも開示されている。本文献では、コンタクトブリッジ、および接触点の近傍に配置され、２つの反対方向へ向いた永久磁石を備える接触器が開示されている。スイッチを流れる電流方向によって、２つのアークのいずれか一方が、アーク消滅チャンバ内で吹き消され、迅速に消滅する。

しかしながら、磁気吹き消し用の永久磁石を備える従来の接触器は、吹き消し磁界が、可動コンタクトが搭載されるコンタクトブリッジへも影響を与えてしまうことをほとんど避けられない場合があることが課題となる。それゆえに、磁界も、コンタクトブリッジへローレンツ力を課すことになる。アークを消滅させる必要に応じて、アークがスイッチから外へ押されるように磁気吹き消し磁石が配置されるならば、この力も、まさに同じ方向へコンタクトブリッジを押すことになる。閉じたコンタクト間に非常に高い電流（通常１ｋＡよりも大きい）となる最悪の場合では、この力はコンタクト保持力を超え、コンタクトが制御できずに開状態となってしまうことになる。そのような状況で生じたアークは、すぐに膨大な熱量を生みだし、完全に接触器を壊してしまうことになる。

米国特許第５，８１５，０５８号明細書には、異常状況下において、スイッチを流れる高電流によって生じた電磁気斥力によって、コンタクトが開状態とならないようにするコンタクト強制装置を備えた高電流スイッチが開示されている。本文献では、コンタクトブリッジの下に配置された鉄製バーへ、電磁気引力を生じさせるための別の鉄製バーを備えたスイッチコンタクトブリッジが開示されている。電磁気引力は、高電流がスイッチを流れるときであっても、コンタクトを閉状態で維持する、電磁気斥力とは反対の力である。しかしながら、このスイッチは、アークを消滅手段を備えていない。

それゆえに、本発明は、磁気吹き消し磁石と高通電容量を備えた接触器を提供することをその目的とする。本発明は、さらに、コンタクトが制御できずに開状態となることを防止可能な磁気吹き消し磁石を備える接触器を提供することを目的とする。

上記課題は、独立項で説明される特徴によって解決される。好適な実施形態は、従属項の構成要件で示される。

磁気吹き消し磁石とは反対方向に向いている追加永久磁石を、コンタクトブリッジの近傍に配置することが、本発明の特徴的な点である。

本発明によれば、前記コンタクトブリッジのそれぞれ端部に配置された第一コンタクトおよび第二コンタクトと、前記第一コンタクトおよび前記第二コンタクトの近傍にそれぞれ配置された第一永久磁石および第二永久磁石と、前記第一コンタクトまたは前記第二コンタクトで生じたアークが前記コンタクトブリッジから離れる方向へ吹かれるように前記第一永久磁石および前記第二永久磁石は同じ方向へ向き、前記コンタクトブリッジおよび前記第一永久磁石と前記第二永久磁石の間の近傍に配置された前記第三永久磁石と、を含み、前記第三永久磁石は、前記第一永久磁石および前記第二永久磁石と反対方向へ向くことを特徴とする接触器が提供される。

好適には、第三永久磁石は、前記コンタクトブリッジの中央部で、前記第一永久磁石および前記第二永久磁石により生じた磁界を補償するために用いられると好適である。このようにして磁気吹き磁界（magnetic blow field)でアークが生じる、コンタクトブリッジに影響しない領域に制限される。このことは、コンタクトが制御できずに開状態となってしまうリスクを低減する。

より好適には、前記第三永久磁石は、前記コンタクトブリッジの中央部で、前記第一コンタクトおよび前記第二コンタクトを流れる電流により生じた磁界を補償するためにも用いられる。この場合、前記コンタクトブリッジの中央部で、全体の磁界が実質的にゼロとなる。ゆえに、コンタクト浮上の問題は、前記コンタクトブリッジを開位置へ移動させるために必要となる機械的力を増加させなくとも解決される。さらに、接触器の通電容量は、接触器の電気機械的な作動変更が必要とされることなく改善させることが可能である。

別の好適な実施形態において、前記第三永久磁石は、前記コンタクトブリッジの中央部で、前記第一永久磁石および前記第二永久磁石により生じた磁界および前記第一コンタクトおよび前記第二コンタクトを流れる電流（特には最大許容通電量）により生じた磁界が過剰となることを補償するために用いられる。この場合、前記第三永久磁石は、前記コンタクトブリッジを流れる電流との組み合わせで、前記コンタクトブリッジに作用する全体の力を生じさせるために用いられ、前記第一コンタクトおよび前記第二コンタクトに対して前記コンタクトブリッジを閉位置に維持させる。

前記接触器の最大許容通電量は、好適には１００Ａから１０ｋＡの範囲（特には１ｋＡ程度）である。この桁の電流がハイブリッド自動車、電気自動車およびその他のアプリケーションで通常必要となる。

好適な実施形態において、前記第三永久磁石の大きさ、磁気強さ、配置の少なくとも１つは、前記コンタクトブリッジを閉位置に維持させる磁気力とアークに作用する磁気力を所望の割合とするために用いられる。大きさ（特にコンタクトブリッジ方向に沿った幅）、配置（特にコンタクトブリッジに対しての位置）は、関連する磁気力の強さ割合に関しての設計割合に至るために簡単に制御可能である。

好適には、前記コンタクトブリッジの中央部で、前記第三永久磁石の磁界を最大化するために、さらに磁極板を含む。磁極板が、コンタクトブリッジおよびコンタクトの近傍で磁界の分散を最適化するために備えられてもよい。前記第三永久磁石の反対方向の分極への補償磁界が最大となり、前記コンタクトブリッジの中央部に制限される一方で、特に磁極板は、例えば、磁気吹き磁界（magnetic blow field)がコンタクトで最大となるように配置されてもよい。

好適な実施形態において、前記第三永久磁石は、前記第一永久磁石および第二永久磁石とは反対方向に分極し、前記コンタクトブリッジの２つの対する面に配置される２つの永久磁石の組み合わせからなる。この方法において、前記コンタクトブリッジの中央部で、特に強力で均一な磁界が集中して生じる場合がある。

図１Ａは、アーク上の磁気吹き消し磁界とコンタクトブリッジの効果を説明する概略図である。 図１Ｂは、図１Ａと同様の逆電流における概略図である。 図２Ａは、本発明の好適な実施形態における接触器の接触磁界内での永久磁石の配置を上から見た図である。 図２Ｂは、本発明の好適な実施形態における接触器の接触磁界内での永久磁石の配置を横から見た図である。 図３Ａは、本発明の好適な実施形態における接触器の接触磁界内での永久磁石の配置を上から見た図である。 図３Ｂは、図３Ａの線Ａ−Ａで切断した断面図である。 図３Ｃは、図３Ａの線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。

本発明の上述およびその他の目的および特徴は、添付の図面を参照して、以下の説明及び好適な実施形態から、より明らかにされる。

図１Ａおよび１Ｂは、従来の接触器におけるアーク上の磁気吹き消し磁界の効果、２つの端子＋Ａ１と−Ａ２間の電気接触を形成および遮断するコンタクトブリッジ（１２）となるコンタクトブリッジ、および図平面に垂直な磁界Ｂ_permを生じさせる永久磁石（図示せず）を説明する概略図である。

図１Ａにおいて、直流電流が端子−Ａ２から端子＋Ａ１まで流れる。接触器の閉位置において、電磁アクチュエータ（図示せず）は、電気コンタクトが閉位置とされ続けるように、機械的力Ｆ_springをコンタクトブリッジ（１２）に加える。コンタクトブリッジが開位置まで移動し始めるとすぐに、アークがコンタクトブリッジの２つの接触部（１０，１４）に形成される。図において、左側のコンタクト（１０）のアークを流れる電流は下方向へ流れる一方で、右側のコンタクト（１４）においてアークを流れる電流は上方向へ流れる。それゆえ、電流および磁界は互いに垂直であるので、左側のコンタクト（１０）では左側に向かう力、右側のコンタクト（１４）では右側に向かう力となり、両方のアークがコンタクトブリッジから離れたコンタクト領域の外へ押される。それゆえに、例えば、アーク自体が長くなることや、または、アークがスプリット板（図示せず）または他のアーク消滅手段と接触のために、アークは、早く消滅してしまう場合がある。

図１Ａからも明らかにされるように、コンタクトブリッジを流れる電流は、磁界Ｂ_permに対しても垂直であることで、コンタクトブリッジに作用する電磁気力Ｆcurrentとなる。公知の電気力学の法則に基づいて、この力は、下方向、すなわち、機械保持力Ｆ_springと反対方向へ向かう。電流と磁界の強さによって、電磁気力Ｆ_currentは、機械保持力Ｆ_springを補償し、超え、電気コンタクトが制御できずに開いてしまうことになる。この効果は、コンタクト浮上（contact levitation)としても知られており、接触器の通電容量の厳格な上限を与える。

コンタクト浮上の影響は、接触器自体の固有磁界、すなわち、接触器を流れる電流によって生じた磁界によって、さらに重いものとなる。具体的には、コンタクトブリッジに垂直に配置される導電体セグメントを流れる電流は、磁気吹き消しによって生じた磁界Ｂ_permに加わる磁界を生じさせる。図２Ａにおいて、例えば、端子−Ａ２および＋Ａ１を流れる垂直方向の電流は、コンタクトブリッジで磁界を積極的に増加させる環状磁界を生じさせる。それゆえに、たとえ永続的な磁気吹き消しがなくても、接触器を流れる電流は、コンタクトブリッジを開状態にする力を生じさせる。なお、この知見は、レンツの法則に従ってもいることを記載しておく。

電気力学の法則に従うと、電磁気力Ｆ_currentの方向は、電流方向が反転されると、反転されることになる。この状況は、図１Ｂに、直流電流が端子＋Ａ１から端子−Ａ２まで流れる図によって示される。反転電流が、機械保持力Ｆ_springを増加させるように上方への力Ｆ_currentとなる。このことによってコンタクト浮上の問題は解決されるが、電気コンタクトが再度開かれた状態となる際に、増加した保持力もまた、望ましいものではない。

しかしながら、遙かに問題なのは、アークに作用する力の方向も反転してしまうので、電流反転がアーク消滅を機能させなってしまうことである。それゆえに、アークは、コンタクトブリッジからもはや離れるように強制されることはなく、ブリッジ構成へ引きつけられる。アークが消滅しないために、接触器は、そのうちに壊れてしまう。図１の接触器は、それゆえに一定方向の電流作動用のみであり、コンタクト浮上の問題を電流方向の反転により解決することはできない。

本発明によれば、コンタクト浮上の問題は、コンタクトブリッジの領域で磁界を小さくすることによって解決される。この目的のために、少なくとも１つの追加永久磁石が、コンタクトブリッジの中央部近傍に備えられる。前記追加永久磁石は、磁気吹き消しとは反対方向へ向いている。磁界の線形重ね合わせのために、コンタクトブリッジの中央部における磁界の実質的な強さは、少なくとも従来の接触器と比較して、小さくなる。コンタクトブリッジに沿う実際の磁場分布によって、コンタクトブリッジに電磁気力が生じないようになる。

追加永久磁石の向きによって、コンタクトブリッジ配置の固有磁界もまた、補償される。それゆえに、たとえ磁気吹き消し磁石がなかったとしても、電気コンタクトを制御できずに開状態となってしまうことを、追加永久磁石およびコンタクトブリッジを流れる電流により生じる電磁気力によって防止できる。この力は、コンタクトブリッジに作用し、コンタクトブリッジを閉位置に維持させる。

磁界よりも電磁気力の点で議論すると、追加永久磁石は、コンタクトを流れる電流との組み合わせで、コンタクトブリッジを閉位置に維持させる力を生じさせることも考慮するべきである。コンタクトブリッジに作用する全体の力は、全ての力、すなわち、磁気吹き消し磁石によって生じた電磁気力、固有磁界によって生じた電磁気力、追加永久磁石によって生じた電磁気力、アクチュエータによって生じた機械的力の和である。本発明によれば、追加永久磁石は、所望の制限値内に全体の力を維持するために備えられ、特に、コンタクトが制御できずに開状態となってしまわないようにする。

追加永久磁石によって生じる磁界の強さおよび分散状態は、具体的な要求事項に適合してもよい。例えば、磁界の強さは、通常作動（１ｋＡオーダーの電流）中にコンタクトを制御して開状態および閉状態とすることには影響を与えてはいけないが、一方で磁界の強さは、たとえ短絡回路状態（１０ｋＡオーダーの電流）であっても、コンタクトが制御できずに開状態となってしまうことを防止するのに十分な強さが必要となる。このことは、追加永久磁石の保磁力を得るために追加永久磁石に適正材料を選択するだけでなく、追加永久磁石の配置と大きさを変えることによって達成されてもよい。

さらに、アークへの力とコンタクトブリッジを閉位置に維持させる力の両方が接触器を流れる電流に依存しているので、追加永久磁石の強さと配置は、これら２つの力の所望の割合を得るようにされてもよい。

図２Ａから図３Ｃまでには、本発明の好適な実施形態における接触器の接触領域の一例示的な構成が示される。図２Ａおよび図２Ｂは、コンタクト領域の平面図および側面図をそれぞれ示すものである。さらに、図３Ｂおよび図３Ｃは、図３Ａの線Ａ−Ａおよび線Ｂ−Ｂで切断したコンタクト領域の断面図である。これら図面を通じて、同様の要素には同じ符号が用いられる。

可動コンタクトブリッジ（３）は、２つの端子（１，２）間の電気接触を形成および遮断するために配置される。この目的のために、コンタクトブリッジの各端部は、２つの固定コンタクトのそれぞれ一方と係合する。２つの磁気吹き消し磁石の組み合わせ（４，４ａ、５，５ａ）が、電流を遮断する際、２つのコンタクトに形成されるアーク（７，７ａ）を消滅させるために、２つのコンタクトの近傍に設けられる。これら各組み合わせは、図２ＡでＮやＳの記号で示されるように、各間に均一な磁界を生じさせるために、同方向へ向けられる２つの永久磁石から構成される。

本発明において、永久磁石の追加組み合わせ（６，６ａ）が、コンタクトブリッジにおける磁界を小さくするために、コンタクトブリッジの中央部近傍、すなわち磁気吹き消し磁石間に備えられる。磁気吹き消し磁石と類似の態様で、永久磁石の追加組み合わせは、永久磁石間の均一な補償磁界を生じさせるために、磁気吹き消し磁石とは反対であるが、同一方向へ向く２つの永久磁石による構成される。

磁石の数や磁石の組み合わせの配置は、例示的に示したのみであり、本発明は、図２および図３に示される構成に限定されないことは考慮されるべきである。実際に、コンタクトブリッジの中央部近傍に配置された磁石が、コンタクトブリッジの端部の切換コンタクト（switch contact)の近傍に配置された磁石とは反対に向く限りにおいては、同様の目的が任意の永久磁石の数によって達成可能である。

さらに、磁極板が、コンタクトブリッジの配置に関して、磁界の強さおよび磁界の分散を最適化するために備えられてもよい。磁極板は、例えば、磁界を最大化させるための戻り磁束経路（return magnetic path)を形成するために、図２および図３に示される磁石の各組み合わせに配置されてもよい。

本発明は、接触器の作動機構を何ら変更すること無しに、コンタクト浮上を安定して抑制できる。本発明は、それゆえに、コンタクト浮上の問題に対して、簡易で、コスト効果が高い解決策を提供する。さらに、本発明は、従来の接触器の通電容量を、その設計をあまり変えることがなく、増加させることができる。

要にするに、本発明は、永久磁石のアークが消滅する一定方向の直流作動のための接触器に関する。接触器には、コンタクト浮上、すなわち、コンタクトブリッジを流れる強い電流によって生じた磁気力によってコンタクトが制御できずに開状態となることを防止するために、磁気吹き消し磁石に加えて、コンタクトブリッジの近傍の磁界を補償する補償磁石が備えられる。この目的のために、補償磁石は、コンタクトブリッジの近傍に配置され、磁気吹き消し磁石とは反対方向に向いている。補償磁石の磁界とコンタクトブリッジを流れる電流が、コンタクトブリッジに作用し、電気コンタクトを閉位置に維持させる磁気力を生じさせる。

１・・・第一コンタクト
２・・・第二コンタクト
３・・・コンタクトブリッジ
４・・・第一永久磁石
５・・・第二永久磁石
６・・・第三永久磁石

Claims (9)

1. コンタクトブリッジ（３）と、
   前記コンタクトブリッジのそれぞれ端部に配置された第一コンタクト（１）および第二コンタクト（２）と、
   前記第一コンタクトおよび前記第二コンタクトの近傍にそれぞれ配置された第一永久磁石（４）および第二永久磁石（５）と、
   前記コンタクトブリッジおよび前記第一永久磁石と前記第二永久磁石の間の近傍に配置された第三永久磁石（６）とを含む接触器であって、
   前記第一永久磁石および前記第二永久磁石は、前記第一コンタクトおよび前記第二コンタクトに生じたアークが前記コンタクトブリッジから離れる方向へ移動させられるように同方向へ向き、
   前記第三永久磁石は、前記第一永久磁石および前記第二永久磁石と反対方向へ向き、前記第一永久磁石および第二永久磁石とは反対方向に分極し、前記コンタクトブリッジの２つの対する面に配置される２つの永久磁石の組み合わせ（６，６ａ）からなることを特徴とする接触器。
2. 前記第三永久磁石は、前記コンタクトブリッジの中央部で、前記第一永久磁石および前記第二永久磁石により生じた磁界を補償するために用いられることを特徴とする請求項１に記載の接触器。
3. 前記第三永久磁石は、前記コンタクトブリッジの中央部で、前記第一コンタクトおよび前記第二コンタクトを流れる電流により生じた磁界を補償するために用いら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. 前記第三永久磁石は、前記コンタクトブリッジの中央部で、前記第一永久磁石および前記第二永久磁石により生じた磁界および前記第一コンタクトおよび前記第二コンタクトを流れる電流により生じた磁界が過剰となることを補償するために用いられることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の接触器。
5. 前記第三永久磁石は、前記コンタクトブリッジを流れる電流との組み合わせで、前記コンタクトブリッジに作用する全体の力を生じさせるために用いられ、前記第一コンタクトおよび前記第二コンタクトに対して前記コンタクトブリッジを閉位置に維持させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の接触器。
6. 前記コンタクトブリッジおよび第一コンタクトおよび前記第二コンタクトを流れる電流は、前記接触器の最大許容通電量であることを特徴とする請求項３から５のいずれか１つに記載の接触器。
7. 前記接触器の最大許容通電量は、１００Ａから１０ｋＡの範囲（好適には１ｋＡのオーダー）であることを特徴とする請求項６に記載の接触器。
8. 前記第三永久磁石の大きさ、磁気強さ、配置の少なくとも１つは、前記コンタクトブリッジを閉位置に維持させる磁気力とアークに作用する磁気力を所望の割合とするために用いられることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の接触器。
9. 前記コンタクトブリッジの中央部で、前記第三永久磁石の磁界を最大化するために、さらに磁極板を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の接触器。

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