JP6066598B2

JP6066598B2 - 電磁継電器

Info

Publication number: JP6066598B2
Application number: JP2012150644A
Authority: JP
Inventors: 伸義平岩; 靖斉藤; 永峯　一隆; 一隆永峯; 祐騎栫山; 硯峰呉
Original assignee: Fujitsu Component Ltd
Current assignee: Fujitsu Component Ltd
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: US20140151337A1; KR20140028141A; WO2014007180A1; EP2871660B1; US9653236B2; KR101606514B1; EP2871660A1; EP2871660A4; JP2014013695A

Description

本発明は、電磁継電器に関する。

電気自動車や大型直流装置等の高圧バッテリの回路内に使用される電磁継電器では、接点開離時に発生するアーク放電（以下、単にアークと呼ぶ）によって通電状態が維持され、回路が遮断できない場合がある。また、回路が遮断されてもアークにより接点が消耗する、又は接点が溶着するなどの不具合が生じる場合があった。そのため、直流高電圧回路に使用される電磁継電器に要求される性能を確保するためには、アークの遮断性能を向上させることが不可欠である。特許文献１〜４には、接点開離時に発生するアークを消弧する装置を備えた電磁継電器又はアークの消弧方法が開示されている。

特許文献１には、可動接点と固定接点とが開離したときに、可動接点が固定接点から離れたときにできる空間（以下、接点ギャップと呼ぶ）に発生するアークに対して永久磁石により、アークの直交方向に磁力を印加し、アークを接点部位から非接点部位まで引き伸ばすことで、アーク長を長くしてアークを円滑に切る方法が開示されている。しかしながら、特許文献１の方法では、永久磁石の磁力のみによりアークを接点部位から非接点部位まで移動させるため、消弧に必要な永久磁石が大きくなり、それに伴い、電磁継電器自体が大型化している。

また、特許文献２には、接点ギャップに対面すると共に永久磁石の磁極面に対して直角な位置に存在するハウジングの内壁面を軸方向に凹設したセラミックプレート室を有し、セラミックプレート室にセラミックを素材とする耐アーク板が埋設されたプランジャ型電位継電器が開示されている。特許文献２の方法では、アークが移動した先に耐アーク板が設置されているため、アーク長の充分な引き伸ばしが阻害される。そして、アーク長の充分な引き伸ばしを確保するために、接点ギャップからさらに離して耐アーク板を配置すると、接点部が大型化する。

特許文献３には、可動接点及び固定接点の近傍にそのアーク消弧用グリッドを配設した封止接点装置が開示されている。特許文献３の封止接点装置のアーク消弧用グリッドは、「０．２〜０．３ｍｍ程度の金属板を数枚〜十数枚程度重ねたものであり、個々の金属板の間には数ｍｍ程度の隙間がある。それぞれの金属板は、図３に示すように、セラミック等からなる支持板３８，４０（３９，４１）で支持され、図２に示すように配置される」ものであり、金属板を隙間をあけて重ねるための支持板がさらに必要になるため、接点部が大型化している。

特許文献４には、水素ガス等の電気絶縁性ガスを封入し、気密に形成された封止容器内で接点を開閉させる、封止接点装置が開示されている。電気絶縁性ガスの冷却能と封止容器外に配置された永久磁石のアーク吹消し作用によって発生アークを速やかに消弧させる。引用文献４の方法は、水素ガス等の電気絶縁性ガスを封入する設備が必要になり、電気絶縁性ガスを透過させないために、金属又はセラミック等で、容器を密封する必要があるのでコストがかかる。

特開２００２−３３４６４４号公報特開平７−２３５２４８号公報特開平６−２２４１５号公報特公平６−２２０８７号公報

大型化することなく、アーク遮断性能を向上させた電磁継電器が望まれている。

請求項１に記載の発明は、固定接点と、前記固定接点に対して移動する可動接点と、前記固定接点及び前記可動接点の側方で、互いに反対の磁極面が互いに離間かつ対向するように配置され、それぞれの該磁極面の間の空間に、前記固定接点と前記可動接点との間に生じるアークを引き込む一対の磁石と、前記空間に配置され、隙間を介して互いに対向する第一面、及び該第一面の反対側の第二面であって、いずれか一方の前記磁石の前記磁極面に対面する第二面をそれぞれに有する一対のアーク冷却板とを具備し、前記空間に引き込まれた前記アークが前記隙間に引き込まれて少なくとも一方の前記アーク冷却板の前記第一面に接触するように構成され、前記隙間が、前記固定接点及び前記可動接点から離れるにつれて狭くなるように、前記一対のアーク冷却板が配置される、電磁継電器を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電磁継電器において、前記一対のアーク冷却板はセラミック製である、電磁継電器を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電磁継電器において、前記一対の磁石の各々の、前記磁極面とは反対側の面に、ヨークが設置される、電磁継電器を提供する。

本発明による電磁継電器は、磁極面の間の空間に配置され、隙間を介して互いに対向する第一面、及び該第一面の反対側の第二面であって、いずれか一方の磁石の磁極面に対面する第二面をそれぞれに有する一対のアーク冷却板を具備し、空間に引き込まれたアークが少なくとも一方のアーク冷却板の第一面に接触するよう構成されている。そのため、固定接点と可動接点との間に生じるアークは、アーク冷却板に接触することで冷却され消弧する。磁石のみでアークを消弧する場合、アークを自然消弧させるためにある程度の空間が必要であったが、アーク冷却板を用いることでより磁極面の間の空間を小さくすることができる。また、高温のアークは、引き伸ばされた状態でアーク冷却板と接触して消弧するので、アーク冷却板の負荷が小さくなり、アークによるアーク冷却板の破損を防止することができる。また、本発明による電磁継電器は、アーク冷却効果のある水素ガス等の不活性ガスを使用していないので、電磁継電器の接点部周辺を密閉する必要がなく、安価に製造することができる。

本発明の一実施形態による電磁継電器を示す断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。電磁継電器の一部を拡大して示す斜視図である。電磁継電器の消弧部の別例を示す平面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態において同一又は類似の構成要素には共通の参照符号を付して示し、理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。また、本願発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した発明とその均等物におよぶ点に留意されたい。

図１は、本発明の一実施形態による電磁継電器１０の構成を示す断面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。本実施形態の電磁継電器１０は、ベース１１と、電磁石ブロック１２と、二つの固定接点１６ａ、１６ｂ（以下まとめて固定接点１６と称する場合がある）、及び固定接点１６ａ、１６ｂに対して移動して、固定接点１６ａ、１６ｂのそれぞれと接触する可動接点１５ａ、１５ｂ（以下まとめて可動接点１５と称する場合がある）を含む接点部１３ａ、１３ｂ（以下まとめて接点部１３と称する場合がある）と、接点部１３ａ、１３ｂに発生したアークを消弧する消弧部３０ａ、３０ｂと、電磁石ブロック１２、接点部１３及び消弧部３０ａ、３０ｂを収容するカバー１７と、により構成されている。

電磁石ブロック１２は、ベース１１上に配置された継鉄２２と、電磁石２０と、ヒンジばね２３と、ヒンジばね２３の先端に設けられたアマチュア２４と、アマチュア２４上に配置された絶縁体２６と、から構成されている。電磁石２０は、ボビン２１と、ボビン２１の外周に巻かれたコイル１９と、ボビン２１の内周に配置された鉄心１８とからなる。また、ベース１１の図中下方には、コイル１９から延びるコイル端子２８ａ、２８ｂが設けられている。なお、図示電磁石ブロック１２の構成は一例であり、電磁石ブロックは他の構成であってもよい。

接点部１３は、上述のように二つの可動接点１５ａ、１５ｂ及び固定接点１６ａ、１６ｂを含み、可動接点１５ａ、１５ｂは、アマチュア２４と連動する可動ばね２５に固着されている。また、ベース１１の図中下方には、固定接点１６ａ、１６ｂと連結する固定端子２９ａ、２９ｂが設けられている（図２参照）。

電磁石ブロック１２の電磁石２０が励磁又は消磁してアマチュア２４が移動することにより、可動ばね２５が連動して、可動接点１５と固定接点１６とが接触又は開離する。アマチュア２４が下がり、可動接点１５と固定接点１６とが接触したとき、例えば電流は図２の矢印Ｆ方向に、固定端子２９ａから、接触した固定接点１６ａ及び可動接点１５ａを通り、可動ばね２５を経由して、接触した可動接点１５ｂ及び固定接点１６ｂを通り、固定端子２９ｂに流れる。

可動ばね２５が図２において上方向に上がることで、可動接点１５ａ、１５ｂが上方に移動して、可動接点１５ａ、１５ｂと固定接点１６ａ、１６ｂとが開離する。それにより、図２に示すように、それぞれの接点の間に接点ギャップ２７ａ、２７ｂが形成され、矢印Ｆ方向に流れる電流が遮断される。しかしながら、可動接点１５と固定接点１６とが離間する際に、接点ギャップ２７ａ、２７ｂにおいてアーク４０ａ、４０ｂ（以下、まとめてアーク４０と呼ぶ場合がある）が発生する場合がある。

本実施形態の電磁継電器１０が備える消弧部３０ａ、３０ｂについて、図１、図３及び図４を参照して説明する。図４は、図２の点線で囲んだ部分Ｃを拡大して、消弧部３０ａ、３０ｂを示す斜視図であるが、消弧部３０ａ、３０ｂの構造を示すため一部の構成要素を省略している。

本実施形態の電磁継電器１０は、二箇所の接点ギャップ２７ａ、２７ｂに発生するアーク４０ａ、４０ｂを消弧するために、二つの消弧部３０ａ、３０ｂが備えられている。消弧部３０ａ、３０ｂは、アーク４０が磁界により引き伸ばされる方向が異なるだけで、他の構成は実質的に同じである。

消弧部３０ａは、図に示すように、可動接点１５ａと固定接点１６ａとの側方で、接点ギャップ２７ａを挟んで、互いに磁極面３１１ａ、３２１ａの極性が反対となるように（Ｎ極の面とＳ極の面とが対向するように）互いに離間かつ対向するよう配置された板状の一対の永久磁石３１ａ、３２ａを備えている。

一対の永久磁石３１ａ、３２ａの、互いに反対の磁極面が、一定の間隔Ｗ１をあけて対向配置されることで、磁界が発生する空間３６ａが形成される。空間３６ａには磁界が発生しているため、電流が固定接点１６ａから可動接点１５ａに流れるアーク４０ａに対して、ローレンツ力が作用し、アーク４０ａが矢印Ａ方向に引き伸ばされ、アーク４０ａは空間３６ａに引き込まれる。

消弧部３０ａは、一対のアーク冷却板３３ａ、３４ａを備えている。一対のアーク冷却板３３ａ、３４ａは、隙間３７ａを介して互いに対向する第一面３３１ａ、３４１ａ、及び第一面３３１ａ、３４１ａの反対側の第二面３３２ａ、３４２ａを有する。そして、アーク冷却板３３ａの第二面３３２ａが、永久磁石３１ａの磁極面３１１ａに対面し、アーク冷却板３４ａの第二面３４２ａが永久磁石３２ａの磁極面３２１ａに対面している。

図１及び図３に示すように、一対のアーク冷却板３３ａ、３４ａは、永久磁石３１ａ、３２ａとの間の空間３６ａ内に、接点ギャップ２７ａに発生して一対の永久磁石３１ａ、３２ａの磁力により引き伸ばされたアーク４０ａを挟み込むように、一定間隔Ｗ２の隙間３７ａをあけて対向配置されている。永久磁石３１ａ、３２ａにより引き伸ばされ、空間３６ａに引き込まれたアーク４０ａは、一対のアーク冷却板３３ａ、３４ａの隙間３７ａ内に引き込まれるよう構成されている。

図示実施形態では、一対のアーク冷却板３３ａ、３４ａは、永久磁石３１ａ、３２ａに対して略平行になるよう配置されている。アーク冷却板３３ａ、３４ａは、引き伸ばされるアーク４０ａを挟むように、隙間３７ａを介して配置されているので、アーク４０ａの引き伸ばしは阻害され難い。隙間３７ａに引き込まれたアーク４０ａは、アーク冷却板３３ａ、３４ａの互いに対向する第一面３３１ａ、３４１ａのうち少なくとも一方に接触することにより、冷却され消弧する。アーク４０ａは高熱であるため、アーク冷却板３３ａ、３４ａに衝突させると、アーク冷却板３３ａ、３４ａは、アーク４０ａの熱により破損する場合がある。本実施形態の構成では、アーク４０ａが、空間３６ａ内にある程度引き伸ばされて冷却された後に、隙間３７ａ内でアーク冷却板３３ａ、３４ａに接触するため、アーク冷却板３３ａ、３４ａの破損を防止することができる。図示実施形態のアーク冷却板３３ａ、３４ａはセラミック製であり、空間３６ａ内の磁界に与える影響は小さく、アーク４０ａはアーク冷却板３３ａ、３４ａの隙間３７ａに引き込まれた後も、磁界により引き伸ばされる。

また、永久磁石３１ａ、３２ａの磁極面３１１ａ、３２１ａとは反対側の面３１２ａ、３２２ａには、図１及び図３に示すようにヨーク３５ａ、３５ｂが設置されている。ヨーク３５ａ、３５ｂを永久磁石３１ａ、３２ａの面３１２ａ、３２２ａに設置することにより、空間３６ａに一様磁界が得られるようになる。図示実施形態では、接点ギャップ２７ａの位置が空間３６ａの中心部よりずれているが、ヨーク３５ａ、３５ｂを配置することで、接点ギャップ２７の位置においても空間３６ａの中心部と同じように一様磁界が得られるようになり、接点ギャップ２７ａで発生したアーク４０ａに対して印加する磁力の強さが増大し、より安定してアーク４０ａを引き伸ばすことができる。

なお、一対の永久磁石３１ａ、３２ａは、空間３６ａにアーク４０ａが引き込むことができるならば、接点ギャップ２７ａに近接して配置されていればよく、必ずしも接点ギャップ２７ａを挟むように配置していなくてよい。しかしながら、一対の永久磁石３１ａ、３２ａは、接点ギャップ２７を挟むように配置した方が、磁界が強くなり、安定してアーク４０ａを空間３６ａに引き込むことができるので望ましい。また、永久磁石３１ａ、３２ａは磁石の一例であり、例えば電磁石を用いて磁界を発生させてよい。

もう一方の消弧部３０ｂは、図３に示すように、可動接点１５ｂと固定接点１６ｂとの側方で、接点ギャップ２７ａを挟んで、互いに磁極面３１１ｂ、３２１ｂの極性が反対となるように（Ｎ極の面とＳ極の面とが対向するように）互いに離間かつ対向するよう配置された板状の一対の永久磁石３１ｂ、３２ｂを備えている。

一対の永久磁石３１ｂ、３２ｂの、互いに反対の磁極面３１１ｂ、３２１ｂが、一定の間隔Ｗ１をあけて対向配置されることで、磁界が発生する空間３６ｂが形成される。空間３６ａには磁界が発生しているため、接点ギャップ２７ｂに発生した、電流が可動接点１５ｂから固定接点１６ｂに流れるアーク４０ｂにローレンツ力が作用し、アーク４０ｂが矢印Ｂ方向に引き伸ばされ、アーク４０ｂは空間３６ｂに引き込まれる。

消弧部３０ｂは、一対のアーク冷却板３３ｂ、３４ｂを備えていて、一対のアーク冷却板３３ｂ、３４ｂは、隙間３７ｂを介して互いに対向する第一面３３１ｂ、３４１ｂ、及び第一面３３１ｂ、３４１ｂの反対側の第二面３３２ｂ、３４２ｂを有する。そして、アーク冷却板３３ｂの第二面３３２ｂが、永久磁石３１ｂの磁極面３１１ｂに対面し、アーク冷却板３４ｂの第二面３４２ｂが永久磁石３２ｂの磁極面３２１ｂに対面している。

図３に示すように、一対のアーク冷却板３３ｂ、３４ｂは、永久磁石３１ｂ、３２ｂとの間の空間３６ｂ内に、接点ギャップ２７ｂに発生して一対の永久磁石３１ａ、３２ａの磁力により引き伸ばされたアーク４０ｂを挟み込むように、所定間隔Ｗ２を開けて対向配置されている。また、一対のアーク冷却板３３ｂ、３４ｂは、永久磁石３１ｂ、３２ｂに対して略平行になるよう配置されている。永久磁石３１ｂ、３２ｂの磁界により引き伸ばされて、空間３６ｂに引き込まれ、アーク冷却板３３ｂの第一面３３１ｂ、アーク冷却板３４ｂの隙間３７ｂに引き込まれたアーク４０ｂは、アーク冷却板３３ｂの第一面３３１ｂ、アーク冷却板３４ｂの第一面３４１ｂのうち少なくとも一方に接触することにより、冷却され消弧する。

永久磁石３１ｂ、３２ｂの空間３６ｂの反対側のそれぞれの面３１２ｂ、３２２ｂには、図３に示すようにヨーク３５ａ、３５ｂが配置されている。ヨーク３５ａ、３５ｂを永久磁石３１ｂ、３２ｂの外側の面３１２ｂ、３２２ｂに配置することにより、空間３６ｂに一様磁界が得られるようになる。ヨーク３５ａ、３５ｂを配置することで、接点ギャップ２７ｂにおいても空間３６ｂの中心部と同じように一様磁界が得られ、接点ギャップ２７ｂで発生したアーク４０ｂに対して印加する磁力の強さが増大し、より安定してアーク４０ｂを引き伸ばすことができる。なお、図示実施形態では消弧部３０ａと消弧部３０ｂとはヨーク３５ａ、３５ｂを共有しているが、別体のヨークをそれぞれが備えていてもよい。

なお、図示実施形態の電磁継電器１０は、二つの接点ギャップ２７ａ、２７ｂに発生するそれぞれのアーク４０ａ、４０ｂを消弧するよう構成されているが、いずれか一方の接点ギャップに、アークを消弧する消弧部を設ける構成としてもよい。

アーク冷却板の材質は、絶縁性及び耐熱性を考慮してセラミック製が望ましい。しかしながら、アーク冷却用の材質は、これに限定されず、アークが接触した場合の耐熱性が充分確保される場合は、他の材料、例えば耐熱性のプラスチックにより形成されてよい。

図１〜４に示す消弧部３０ａ、３０ｂでは、一対のアーク冷却板３３ａ、３４ａ、及びアーク冷却板３３ｂ、３４ｂを、一定の間隔Ｗ２をあけて、互いに平行になるよう配置していた。しかしながら、一対のアーク冷却板３３ａ、３４ａ及びアーク冷却板３３ｂ、３４ｂの配置方法は、これに限らず、例えば図５に示すように、互いに対向する一対のアーク冷却板の間隔の幅が、接点ギャップ２７ａ、２７ｂから離れるに従って狭くなるように、換言すれば、例えば接点ギャップ２７ａの近位におけるアーク冷却板３３ａとアーク冷却板３４ａとの間隔の大きさＷ３よりも、接点ギャップ２７ａから最も遠位に位置するアーク冷却板３３ａとアーク冷却板３４ａとの間隔の大きさＷ４が小さくなるように、配置してもよい。空間３６ａ、３６ｂでは、アーク４０ａ、４０ｂが発生する際の熱により、接点ギャップ２７ａ、２７ｂ周辺の空気が暖められ、空間３６ａ、３６ｂの外側３８ａ、３８ｂの空気と比較して温度差ができることで圧力差が生じ、空間３６ａ、３６ｂ内の空気が図５の矢印Ｄ方向又は矢印Ｅ方向に流れる。さらに、一対のアーク冷却板３３ａ、３４ａ又は一対のアーク冷却板３３ｂ、３４ｂの隙間を狭めることでこの空気の流れが速くなり、アーク４０ａ、４０ｂをより一層引き伸ばして消弧させることができる。すなわち、接点ギャップ２７ａ、２７ｂに発生したアーク４０ａ、４０ｂをより幅の狭い空間（外側３８ａ、３８ｂ）へ引き伸ばすことで、ベンチュリー効果（圧力差で広い空間から細い管に空気、液体等の流体を通過させると周囲の流体が細い管に引き込まれて細い管の外へ流体を噴出させる効果）により、周囲の空気の流速が増加し、アーク４０ａ、４０ｂをより一層引き伸ばすことができる。

以上、図を用いて本実施形態による電磁継電器について説明した。本実施形態の電磁継電器が備える消弧部は、引き伸ばされたアークを挟むようにアーク冷却板が対向配置されているので、アークの引き伸ばしを阻害することなく、アークを消弧させることができる。磁石により形成された磁場の空間に、一対のアーク冷却板を設けることにより、アーク消弧のための空間をより小さくすることができ、電磁継電器を大型化させることがない。また、アークを冷却するガスを使用しないため、ガスを密閉するための構成が不要であり、安価にアークの遮断性能を向上させた電磁継電器を製造することが可能になる。

１０電磁継電器
１２電磁石ブロック
１３ａ、１３ｂ接点部
１５ａ、１５ｂ可動接点
１６ａ、１６ｂ固定接点
３０ａ、３０ｂ消弧部
３１ａ、３２ａ、３１ｂ、３２ｂ永久磁石
３３ａ、３４ａ、３３ｂ、３４ｂアーク冷却板
３５ａ、３５ｂヨーク

Claims

固定接点と、
前記固定接点に対して移動する可動接点と、
前記固定接点及び前記可動接点の側方で、互いに反対の磁極面が互いに離間かつ対向するように配置され、それぞれの該磁極面の間の空間に、前記固定接点と前記可動接点との間に生じるアークを引き込む一対の磁石と、
前記空間に配置され、隙間を介して互いに対向する第一面、及び該第一面の反対側の第二面であって、いずれか一方の前記磁石の前記磁極面に対面する第二面をそれぞれに有する一対のアーク冷却板とを具備し、
前記空間に引き込まれた前記アークが前記隙間に引き込まれて少なくとも一方の前記アーク冷却板の前記第一面に接触するように構成され、
前記隙間が、前記固定接点及び前記可動接点から離れるにつれて狭くなるように、前記一対のアーク冷却板が配置される、
電磁継電器。
前記一対のアーク冷却板はセラミック製である、請求項１に記載の電磁継電器。
前記一対の磁石の各々の、前記磁極面とは反対側の面に、ヨークが設置される、請求項１又は２に記載の電磁継電器。