JP5855750B2 - メカトロニックな差込み接続システム - Google Patents

Description

本発明は、メカトロニックな差込み接続システムであって、メイン接点と、取り外し動作においてメイン接点に遅れて取り外される補助接点と、補助接点に直列接続され、かつメイン接点に並列接続された、取り外し動作中に発生するアークを消失させるための半導体電子部品とを有している形式のものに関する。また本発明は、マルチコンセントまたはマルチコネクタの形式のメカトロニックなマルチコネクタシステムに関する。

特許文献１によれば、メイン接点と、取り外し動作中にこのメイン接点に遅れて取り外される補助接点と、トランジスタまたはサイリスタとして構成された半導体スイッチエレメントとを有する電気式の差込み接続器が公知である。半導体スイッチエレメントは、補助接点に直列接続され、メイン接点に対して並列接続されている。半導体スイッチエレメントは、矩形波発電機によって、メイン接点が差し込まれた状態においても、また解除された（引き抜かれた）状態においても、継続的に駆動され、この際に周期的にスイッチオンおよびスイッチオフされる。半導体スイッチエレメントは、補助接点が分離される前に開放され、この際に、半導体スイッチエレメントを介して流れる電流は、補助接点において接点分離が行われる時間的に前に遮断されるかまたは少なくとも減少されるので、不安定なアークが発生し得る。

メイン接点が差し込まれている状態においては、確かにこのメイン接点を介して供給された電流に基づいて、メイン接点に対して並列な半導体スイッチは無電流となる。しかしながら、矩形波発電機は継続的に運転されているので、半導体スイッチも継続的に操作され、つまり周期的にスイッチオンおよびスイッチオフされる。

ドイツ連邦共和国特許公告第１０２２５２５９号明細書

本発明の課題は、特に適したメカトロニックな差込み接続システムを提供することである。さらに、複数のメカトロニックな差込み接続器を有するマルチコネクタシステムを提供することである。

メカトロニックな差込み接続システムに関して、前記課題は請求項１の特徴によって解決される。好適な実施態様および変化実施例は、請求項１を引用する従属請求項の対象である。

メカトロニックな差込み接続システムはメイン接点を有しており、このメイン接点は、メイン差込み接点と、メイン対抗接点特にコネクタソケットとから成っている。この差込み接続システムはさらに補助接点を有しており、この補助接点は、補助差込み接点と、特にコネクタソケットとして構成された補助対抗接点とから成っている。半導体電子部品は、取り外し動作中に発生するアークを消失させるために、補助接点と直列に接続されており、この場合、この直列回路は、メイン接点に並列接続されている。メイン接点において、以下では接点差と称呼されている、メイン差込み接点の接点先端とメイン対抗接点の接点端部つまりメイン対抗接点のソケット開口縁部との間の間隔が、コネクタソケットの場合には差し込まれた状態で、補助差込み接点におけるよりも小さく構成されていることによって、取り外し動作中に、補助接点はメイン接点に遅れて取り外される。

本発明に従って設けられた半導体電子部品は、直列接続された２つの半導体スイッチ、好適にはＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴを有している。２つの半導体スイッチ間にエネルギ蓄積器が導入されており、このエネルギ蓄積器は、充電するために、取り外し動作中に発生する、半導体スイッチ間のアーク電圧を取り出す。

以下ではコネクタソケットとも称呼される差込み接続システムのメイン接点は、直流電圧源と負荷または負荷接続部との間の往路電路または帰路電路に接続されている。この場合、メイン差込み接点は負荷若しくは負荷接続部に接続されており、これに対してメイン対抗接点は直流電圧源に接続されている。同様に、メイン接点に並列接続された補助接点の補助差込み接点は、負荷若しくは負荷接続部に接続されていて、補助対抗接点は、半導体電子部品を介して、およびこの場合２つの半導体スイッチの直列回路を介して直流電圧源（ＤＣ源）に接続されている。

好適な実施態様によれば、やはり負荷若しくは負荷接続部に接続された差込み接点と、適当な形式でやはりコネクタソケットとして構成された対抗接点とを有する第３の接点が、直流電圧源に直接接続されている。この場合、第３の接点は、メイン接点が往路電路に位置していれば、帰路電路に接続されている。そうでなければ、第３の接点は、メイン接点が直流電圧源と負荷若しくは負荷接続部との間で帰路電路内に位置していれば、往路電路に接続されている。

この実施態様の特に好適な構成によれば、第３の接点は、取り外し動作時つまり差込み接続器の開放または引き抜きの際に、メイン接点に遅れて取り外される。このために同様に、差込み接点の接点先端と対抗接点の接点端部つまり対抗接点のソケット開口縁部との間の間隔（接点差）は、コネクタソケットの場合には差し込まれた状態において、メイン接点におけるよりも大きく、例えば補助差込み接点の間隔と同じである。

メカトロニックなマルチコネクタシステムに関する課題は、本発明によれば、請求項６の特徴によって解決される。好適な実施態様および変化実施例は、請求項６を引用する従属請求項の対象である。

マルチコネクタシステムは、それぞれ１つのメイン接点と、取り外し動作中にメイン接点に遅れて取り出されるそれぞれ１つの補助接点とを有する少なくとも２つの差込み接続器（差込み接続システム）を有している。差込み接続器または各差込み接続器はやはり、第３の接点を有している。その差込み接点は、取り外し動作中に第３の接点が補助接点に遅れて取り出されるように、適当な形式で構成されている。

マルチコネクタシステムの各差込み接続器は、半導体電子部品と補助接点特にその補助対抗接点とから成る直列回路を有する、メイン接点に対して並列の回路内に、ダイオードを有している。このダイオードは、補助接点および半導体電子部品がプラス側、若しくはＤＣ源と負荷（負荷接続部）との間のプラスラインまたは往路ラインに対して並列に接続されている場合、アノード側が半導体電子部品に接続されていて、カソード側が補助接点に接続されている。

半導体電子部品に対して並列の電流は、導通している電路接続部並びにマルチコネクタシステムの単数または複数の差し込まれているメイン接点および補助接点を介して阻止されるので、取り外し動作時に、その他の差込み接続器のダイオードが、マルチコネクタシステムのその他の差込み接続器の差し込まれている差込み接点を介して、半導体電子部品の短絡を阻止する。

以下に本発明を、図面に示した実施例を用いて詳しく説明する。

メイン接点および補助接点、並びに直列接続された２つの半導体スイッチおよびエネルギ蓄積器を有する半導体電子部品を備えたメカトロニックな差込み接続システムの概略図である。 補助接点の前方に配置された追加的な第３の接点を有する、図１による差込み接続システムを示す図である。 メイン接点の後ろに追加的な第３の接点を有する、図２による差込み接続システムである。 それぞれ１つのメイン接点、補助接点および第３の接点を有する複数の差込み接続器（差込み接続システム）、並びに差込み接続器に共通の半導体電子部品を有するメカトロニックなマルチコネクタシステムである。

互いに対応する部分は、すべての図面中において同じ符号が付けられている。

図１〜図４に示した差込み接続器若しくは差込み接続システムＳ，Ｓｎは、１５Ｖ〜約１５００Ｖの直流電圧および０．５Ａ〜約５０Ａの直流（ＤＣ）を有する直流電圧若しくは直流回路網において使用するために設けられている。

以下では取り外し動作と称呼されている、電気差込み接続器（差込み接続システム）の負荷下による引き抜きまたは解除時に、元電圧が約１５Ｖを越え、単数または複数の電路を介して流れる電流が運転中に約０．５Ａを越えると、接点間にアークが発生することがある。直接的に人体を危険に晒す以外に、接点システムは、アークプラズマの高い温度に基づく燃焼および絶縁材によって損傷を受け、結果的に破損することになる。

このような形式の、組み込まれたアーク抑制手段を有するＤＣ差込み接続システムの考え方において、アークはまず所定のアーク長さになってから消失させることができ、このようなアーク長さに達するまでの最終的な時間が、取り外し動作中の引き抜き運動の速度および元電圧並びに負荷および接点材料に基づいていることを考慮する必要がある。

このような着想に関する条件は、本発明による差込み接続システム（図１〜図３）およびマルチコネクタシステム（図４）によって、確実なだけではなく簡単な形式で、しかも事実上最小の電力損失で満たされる。差込み接続システム（図１〜図３）若しくはマルチコネクタシステム（図４）は、特に設備システムのために有利に適している。

図１は、直流源若しくは直流電圧源（ＤＣ源）２と、このＤＣ源２において駆動される負荷３との間の、または電圧源側のソケットユニット４および負荷側のコネクタユニット５並びに、負荷３をＤＣ源２に接続するための往路電路６および帰路電路７を有する配線を備えた負荷群との間の、以下では短縮して差込み接続器と称呼されている差込み接続システムＳを概略的に示す。差込み接続器１は、メイン差込み接点８ａおよびメイン対抗接点８ｂを備えた差込みソケットとして形成されたメイン接点８を有している。ソケットユニット４とコネクタユニット５とは、機械的に互いに堅固に、しかしながら解除可能に接続されている。

図示の実施例では、往路電路６に配置されたメイン接点８に、補助差込み接点９ａおよびやはり差込みソケットとして構成された補助対抗接点９ｂを有する補助接点９が配置されている。メイン接点８および補助接点９は、ソケットユニット４若しくはコネクタユニット５内に次のように配置されている、つまりコネクタユニット５がメイン差込み接点８ａおよび補助差込み接点９ａと共に、メイン対抗接点８ｂおよび補助対抗接点９ｂを備えたソケットユニット４から、１回の取り外し動作により引き抜くことができるように、配置されている。

補助接点９と半導体電子部品１０とは直列接続されており、この半導体電子部品１０は、電気接続部または電圧源側のバイパス回路１１を介して往路電路６に接続されている。同様に、補助差込み接点９ａは電気接続部若しくは負荷側のバイパス回路１２を介してメイン差込み接点８ａおよびひいては往路電路６に接続されている。従って、半導体電子部品１０と補助接点９とから成る直列回路は、メイン接点８に並列接続されている。

メイン接点８およびひいてはそのメイン差込み接点８ａは、補助接点９若しくはその補助差込み接点９ａよりも短いことが分かる。従って、メイン接点８の接点間隔Ｌ_Ｈａ（メイン差込み接点８ａの接点先端とメイン対抗接点８ｂのソケット開口縁部との間）は、補助接点９の接点間隔Ｌ_Ｈｉ（補助差込み接点９ａの接点先端と補助対抗接点９ｂのソケット開口縁部との間）よりも短い。従って、補助接点９は、１回の取り外し動作中にメイン接点８に遅れて取り外される。言い換えれば、補助差込み接点９ａおよび補助対抗接点９ｂは、取り外し動作中に、メイン接点８のメイン差込み接点８ａとメイン対抗接点８ｂとの間の直接的な接続が既に解除されているときに、まだ機械的に接続されひいては導電接続されていて、場合によってはアークによって架橋されている。

図示の状態において、バイパス（回路）１１，１２は半導体電子部品１０を介して無電流であるので、半導体電子部品１０はエネルギを消費しない。半導体電子部品１０は、適当な形式で、ＩＧＢＴ（Insulated-gate bipolar transistor；絶縁ゲート双極性トランジスタ）として形成された第１の半導体スイッチ１０ａと、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）として形成された第２の半導体スイッチ１０ｂとから成る直列回路を有している。２つの半導体スイッチ１０ａおよび１０ｂは、ベース側またはゲート側並びにベース側とゲート側との間に設けられたタップ１０ｃを介して、制御回路１０ｄに接続されており、この制御回路１０ｄは、好適にはコンデンサとして形成されたエネルギ蓄積器１０ｅおよび時限回路１０ｆを有している。２つの半導体スイッチ１０ａと１０ｂとの間のタップ１０ｃは、エネルギ蓄積器１０ｅに接続されている。

コネクタユニット５を引き抜く際に、つまり取り外し動作中に、まずメイン差込み接点８ａとメイン対抗接点８ｂとの間にアークが発生する。その結果得られる電圧差が半導体電子部品１０を起動すると、半導体電子部品１０は、メイン接点８から補助接点９へ切換える電流を受ける。取り外し動作中にアークによって生ぜしめられた、２つの半導体スイッチ１０ａ，１０ｂ間のアーク電圧は取り出され、エネルギ蓄積器１０ｅを充電するために利用される。これによって蓄えられた充電エネルギは、半導体スイッチ１０ａ，１０ｂを接続するために利用され、この場合、まず第１の半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）１０ａが、次いで第２の半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）１０ｂが導電接続される。それと同時に時限回路１０ｆが始動される。時限回路１０ｆによって調節またはプリセットされた作動時間の経過後に、半導体スイッチ１０ａおよび１０ｂはロックされ、非導電状態にもたらされる。アーク継続時間中に流れる電流は、補助接点９および半導体電子部品１０を介して時限回路１０ｆの作動時間だけ供給されるので、アークは消失し得る。

メイン接点８と補助接点９との間の接点差ΔＬ_Ｈ＝Ｌ_Ｈｉ−Ｌ_Ｈａは、取り外し動作中にメイン差込み接点８ａとメイン対抗接点８ｂとの間にアークが発生するように設計されている。この場合、接点間隔Ｌ_ＨｉおよびＬ_Ｈａは、差込み接点８ａ，９ａのそれぞれの接点先端と所属の対抗接点８ｂ若しくは９ｂの開口縁部またはソケット縁部との間の間隔である。この場合、接点差ΔＬ_Ｈの値は、アーク発生の場合にメイン接点８に、アークを消失させかつ電流を遮断するために十分な時間が残されるように設計されている。従って、補助接点９内で補助差込み接点９ａと補助対抗接点９ｂとの間にもはやアークが発生することはない。

メイン接点８と補助接点９との間の接点差ΔＬ_Ｈの調節若しくは規定にさらに追加して、半導体電子部品１０の時限回路１０ｆは、取り外し動作の典型的な引き抜き速度において並びに元電圧および負荷３に関連して、メカトロニックな差込み接続システム１に、すべての接点８，９を完全に機械的に分離させるまで十分な時間が残されるように、設計されている。

図２および図３の実施形態において、メカトロニックな差込み接続システム１は、やはり差込み接点１３ａおよびソケットとして構成された対抗接点１３ｂとを備えた第３の接点１３を有している。第３の接点１３は、その対抗接点１３ｂがメイン対抗接点８ｂおよび補助対抗接点９ｂと共にソケットユニット４内に組み込まれていて、その差込み接点１３ａがメイン差込み接点８ａおよび補助差込み接点９ａと共にコネクタユニット５内に組み込まれている。第３の接点１３は、図示の実施例では帰路電路７内に位置している。

図２の実施例では、第３の接点１３が補助接点９と比較して小さい接点間隔Ｌ_Ｈａを有し、メイン接点８と比較して同じ接点間隔Ｌ_Ｈａを有しているに対して、図３の実施形態では、第３の接点１３の接点間隔は、補助接点９の接点間隔Ｌ_Ｈｉと同じである。差込み接点８ａまたは差込み接点９ａおよび／または１３ａが同じ長さに構成され、また対抗接点（ソケット）８ｂ，９ｂ若しくは１３ｂは相応に異なる長さに構成されていてもよい。

取り外し動作中、つまりコネクタユニット５をソケットユニット４から引き抜く際に、図２の実施形態では、第３の接点１３の差込み接点１３ａと対抗接点１３ｂとの間でもアークが発生する。電子部品１０の機能形式は上記実施例と同様である。取り外し動作中に半導体電子部品１０と補助接点９の直列回路に切換えられた電流に基づいて、メイン接点８においてもまた第３の接点１３においてもアークは消失するので、一方では接点８ａと接点１３ａとの間の電圧差、また他方では接点８ｂと接点１３ｂとの間の電圧差が約ゼロになる。

図３の実施形態では、半導体電子部品の時限回路１０ｅを相応に調節して、メイン接点８並びに補助接点９と第３の接点１３との間の間隔差ΔＬ_Ｈを相応に適合させることによって、やはり補助接点９および第３の接点１３において、つまり差込み接点９ａおよび対抗接点９ｂ若しくは１３ａおよび１３ｂ間においてアークは発生しない。

図４に概略的に示されたマルチコネクタシステムＳｎは複数の差込み接続器Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を有しており、この場合、別の差込み接続器Ｓが設けられていてもよい。各差込み接続器Ｓ１，…ｎは、図２に示した実施例と同様に、それぞれメイン接点８および補助接点９並びに第３の接点１３を有していて、ソケットユニット４およびコネクタユニット５内に組み込まれている。差込み接続器Ｓ１，…ｎは共にＤＣ源２に接続されている。各差込み接続器Ｓ１，…ｎに、負荷３が配置されている。同様に、すべての差込み接続器Ｓ１，…ｎに共通に、唯一の半導体電子部品１０が配置されており、この半導体電子部品１０は、図１の実施例と同様に、２つの半導体スイッチ１０ａおよび１０ｂ並びにエネルギ蓄積器１０ｄおよび制御ユニット１０ｅの時限回路１０ｆを備えた直列回路を有している。

差込み接続器Ｓ１，…ｎのメイン接点８は、ライン１４を介して往路電路６に接続されている。同様に、すべての差込み接続器Ｓ１，…ｎの補助接点９は、バイパス回路１１，１２に接続され、ひいてはライン１５を介して電子部品１０に接続されている。ライン１６を介して、すべての差込み接続器Ｓ１，…ｎの第３の接点１３は、帰路電路７に接続されている。

マルチコネクタシステムＳｎの各差込み接続器Ｓ１，…ｎの取り外し動作中に短絡を避けるために、各差込み接続器Ｓ１，…ｎの補助接点９にダイオード１７が配置されている。このダイオード１７は、各ソケットおよびコネクタユニット４，５内に、この場合、適当な形式でソケットユニット４内に組み込まれている。各ダイオード１７はアノード側が半導体電子部品１０に接続され、カソード側が各差込み接続器Ｓ１，…ｎの補助接点９の補助対抗接点９ａに接続されている。

差込み接続器Ｓｎのうちの１つを取り外す際に、マルチコネクタシステムＳｎのその他の差込み接続器Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のダイオード１７が、その他の差込み接続器Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の差し込まれている差込み接点８，９，１３を介して、半導体電子部品１０の短絡を阻止する。何故ならば、ライン１４からライン１５への半導体電子部品１０に対して並列の電流が、差し込まれているメイン接点および補助接点８，９および／または１３を介して不可能となっているからである。

２ ＤＣ源
３ 負荷
４ ソケットユニット
５ コネクタユニット
６ 往路電路
７ 帰路電路
８ メイン接点
８ａ メイン差込み接点
８ｂ メイン対抗接点
９ 補助接点
９ａ 補助差込み接点
９ｂ 補助対抗接点
１０ 電子部品
１０ａ 半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）
１０ｂ 半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）
１０ｃ タップ
１０ｄ 制御回路
１０ｅ エネルギ蓄積器
１０ｆ 時限回路
１１，１２ バイパス回路
１３ 第３の接点
１３ａ 差込み接点
１３ｂ 対抗接点
１４，１５，１６ ライン
１７ ダイオード
Ｓ 差込み接続器／差込み接続システム
Ｓｎ マルチコネクタシステム
Ｌ_Ｈａ メイン接点／第３の接点の接点間隔
Ｌ_Ｈｉ 補助接点／第３の接点の接点間隔

Claims (6)

1. メカトロニックな差込み接続システム（Ｓ）であって、メイン差込み接点（８ａ）およびメイン対抗接点（８ｂ）から成るメイン接点（８）と、取り外し動作において前記メイン接点（８）に遅れて取り外される、補助差込み接点（９ａ）および補助対抗接点（９ｂ）から成る補助接点（９）と、前記補助接点（９）に直列接続され、かつ前記メイン接点（８）に並列接続された、前記取り外し動作中に発生するアークを消失させるための半導体電子部品（１０）とを有している形式のものにおいて、
   前記メイン接点（８）が、直流電圧源（２）から負荷（３）へ通じる往路電路（６）または帰路電路（７）に接続されており、
   前記補助接点（９）が前記メイン接点（８）に並列接続され、
   前記帰路電路（７）若しくは前記往路電路（６）に接続された、差込み接点（１３ａ）と対抗接点（１３ｂ）とから成る第３の接点（１３）が設けられ、
   前記第３の接点（１３）が、取り外し動作時に前記メイン接点（８）に遅れて取り外され、かつ、
   前記半導体電子部品（１０）が、直列接続された２つの半導体スイッチ（１０ａ，１０ｂ）と、これらの半導体スイッチ（１０ａ，１０ｂ）に接続されたエネルギ蓄積器（１０ｅ）とを有しており、該エネルギ蓄積器（１０ｅ）が、前記取り外し動作中に発生する、前記半導体スイッチ（１０ａ，１０ｂ）間のアーク電圧を、取り出すことを特徴とする、メカトロニックな差込み接続システム。
2. 前記半導体スイッチ（１０ａ，１０ｂ）として、ＩＧＢＴおよび、このスイッチに直列接続されたＭＯＳＦＥＴが設けられていることを特徴とする、請求項１記載のメカトロニックな差込み接続システム。
3. メカトロニックなマルチコネクタシステム（Ｓｎ）であって、メイン差込み接点（８ａ）およびメイン対抗接点（８ｂ）から成るそれぞれ１つのメイン接点（８）を備えた少なくとも２つの差込み接続器（Ｓ）と、取り外し動作において前記メイン接点（８）に遅れて取り外される、補助差込み接点（９ａ）および補助対抗接点（９ｂ）から成るそれぞれ１つの補助接点（９）と、前記取り外し動作中に発生するアークを消失させるための半導体電子部品（１０）とを有している形式のものにおいて、
   前記差込み接続器（Ｓ）に共通の前記半導体電子部品（１０）が、この半導体電子部品（１０）のダイオード（１７）を介して前記補助接点（９）のそれぞれに直列接続されていることを特徴とする、メカトロニックなマルチコネクタシステム。
4. 前記半導体電子部品（１０）が、直列接続された２つの半導体スイッチ（１０ａ，１０ｂ）と、これらの半導体スイッチ（１０ａ，１０ｂ）に接続されたエネルギ蓄積器（１０ｅ）とを有しており、該エネルギ蓄積器（１０ｅ）が、前記取り外し動作中に発生する、前記半導体スイッチ（１０ａ，１０ｂ）間のアーク電圧を、充電のために取り出すことを特徴とする、請求項３記載のメカトロニックなマルチコネクタシステム。
5. 前記差込み接続器（Ｓ）または各差込み接続器（Ｓ）が、差込み接点（１３ａ）および対抗接点（１３ｂ）から成る第３の接点（１３）を有していることを特徴とする、請求項３または４記載のメカトロニックなマルチコネクタシステム。
6. 前記第３の接点（１３）が、前記取り外し動作中に前記補助接点（９）に先立って取り外されることを特徴とする、請求項４記載のメカトロニックなマルチコネクタシステム。

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