JP6161694B2 - テーパー部を有する強磁性もしくは磁性接極子を含む電気的スイッチング装置および継電器 - Google Patents

Description

本願は、２０１２年６月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／６５７，９２６号の利益を主張するものであり、その内容を参照によって本願明細書に引用したものとする。

本開示の概念は、全般的には、電気的スイッチング装置に関し、特に、例えば、航空機用継電器などのような継電器に関する。

従来の継電器は、主端子間の導電路を形成する、もしくは遮断する可動接触子を含む。制御端子は、多数のアクチュエータコイル巻線を有するアクチュエータコイルに電気接続する。多くの継電器では、アクチュエータコイルは、分離可能な主接触子を閉路させ、継電器が閉路状態もしくはオン状態で分離可能な主接触子を保持するのに使用される２つの別個の巻線もしくは分割巻線を有する。継電器を閉路状態で維持するのに必要な電気コイル電力量を最小限に抑えることが望ましいことから２つのコイル巻線が必要になる。

典型的なノーマルオープン型継電器は、分離可能な主接続子を開路状態に保持する接極子機構上にスプリングを有する。接極子機構の閉路する動作を開始するために、接極子機構の慣性に打ち勝つのに十分な力を発生させ、さらに所望の閉路力を発生させるためにソレノイドの開放空隙内に十分な磁束を形成するように、比較的大きな磁場が生成される。接極子の閉路動作の際に、両方のコイル巻線が通電されて、十分な磁場が生成される。主接触子が閉路した後は、ソレノイド内の磁路の磁気抵抗は比較的小さく、主接触子を保持するのに必要な力を維持するために比較的小さいコイル電流が必要になる。この時点で、２つのコイル巻線の一方の通電を停止して、電力を節約し、ソレノイド内発熱を最小限に抑えるために、「エコノマイザ」もしくは「カットスロート」回路が使用されてもよい。

継電器などの電気的スイッチング装置には改善の余地がある。

上述の課題および他の課題は、電気的スイッチング装置であって、第１の部分と第１のテーパー部を有する反対側の第２の部分とを含む強磁性フレーム、強磁性フレームの第１の部分に配置される永久磁石、強磁性フレームの第１の部分と反対側の第２の部分との間に配置される強磁性コア、強磁性コアの周囲に配置されるコイル、および強磁性もしくは磁性接極子であって、第１の部分、反対側の第２の部分、および強磁性もしくは磁性接極子の第１の部分と反対側の第２の部分との間の枢動部を含み、強磁性もしくは磁性接極子の反対側の第２の部分は第２のテーパー部を有する、強磁性もしくは磁性接極子を備え、枢動部は強磁性コア上に枢動可能に配置され、第２のテーパー部は第１のテーパー部と相補的な形状を有し、コイルが非通電状態の時には、強磁性もしくは磁性接極子は、強磁性もしくは磁性接極子の第１の部分が永久磁石によって磁気吸引され、第２のテーパー部が第１のテーパー部から引き離された第１の位置をとり、コイルが通電状態の時には、強磁性もしくは磁性接極子の反対側の第２の部分が強磁性フレームの反対側の第２の部分によって磁気吸引され、第１のテーパー部が第２のテーパー部に入り込む第２の位置をとる、電気的スイッチング装置を提供する開示概念の実施形態によって満たされる。

開示されている概念は、好適な実施形態の以下の説明を添付図面を参照しながら読めば十分に理解できるであろう。

説明しやすくするためにいくつかの部品が図示されていない本開示の概念の実施形態の継電器の立体図である。 継電器が非通電位置にある時の図１の線２−２に沿った垂直断面立図である。 図１の継電器の上面図である。 継電器が通電位置にある以外は図２と同様の垂直断面立図である。 図１の接極子の立体図である。 本開示の概念の実施形態の双投型継電器の垂直断面立図である。 本開示の概念の実施形態の単投ノーマルクローズ型継電器の垂直断面立図である。 本開示の概念の実施形態の単投ノーマルオープン型継電器の垂直断面立図である。

本明細書内で使用される場合、用語「数」は、１または２以上の整数（すなわち、複数）を指すものとする。

本明細書内で使用される場合、２つ以上の部品が「接続される」もしくは「結合される」という状態は、部品が直接連結される、もしくは１つまたは複数の中間部品を介して連結されることを指すものとする。さらに、本明細書内で使用される場合、２つ以上の部品が「取り付けられる」という状態は、部品が直接連結されることを指すものとする。

本開示の概念は、双安定継電器に関して説明されているが、本開示の概念は、接極子もしくは他の適切な可動の強磁性もしくは磁性部品を使用したさまざまな電気的スイッチング装置に適用可能である。

図１は、継電器２を示しているが、説明しやすくするためにいくつかの部品は図示されていない。継電器２は、リード部６を有するアクチュエータコイル４と、強磁性フレーム８と、強磁性接極子１０と、永久磁石１２と、磁極片１４と、磁気カプラ１６とを含む。接極子１０は、ガイドピン１８（図１および図３には２つのガイドピン１８が示されている）によってアクチュエータコイル４に枢動可能に取り付けられる。磁気カプラ１６および第１の空隙シム２０は、２つの例の丸平頭ねじ２４によって強磁性フレーム８の端部２２に取り付けられる。別の空隙シム２６は、接極子１０の端部２８に結合される。図示されている例のシム２０および２６は、磁気保持力の制御を可能にし、ひいては、磁極片１４もしくは磁気カプラ１６のテーパー部１１３から磁気解除された時の電気的応答の制御を可能にする磁気構造の選択可能な部品である。これらのシムは、特に、特定の継電器の要求に対する機能的電気パラメータを満たすことを特徴とすることができる。

従来の形と同様に、アクチュエータコイル４は、保持コイルとしての機能を果たし、リード部６Ａ、６Ｂで終端する第１のコイル巻線３４（図２および図４に示されている）と、閉路コイル（ノーマルオープン継電器用）としての機能を果たし、リード部６Ｂ、６Ｃで終端する第２のコイル巻線３６（図２および図４に示されている）とを含む。具体的な例に示されているが、図示されている例の２つのコイル巻線３４、３６は、３つのリード部もしくは任意の他の適切な形態で構成されてもよい。図２は、アクチュエータコイル４の第１および第２の巻線３４、３６が共に非通電状態であり、永久磁石１２が極片１４を介して接極子１０の端部２８を磁気吸引する非通電位置にある継電器２を示している。

図４は、アクチュエータコイル４のコイル巻線３４、３６（図２および図４に示されている）が通電状態であり、磁気カプラ１６が強磁性フレーム８および通電されたアクチュエータコイル４によって生成された磁場を介して接極子１０の反対端３０を磁気吸引する通電位置にある継電器２を示している。

図２および図４に示されているように、アクチュエータコイル４は、ボビン３２のようなコア片を含み、その周囲に、第１および第２のコイル巻線３４、３６が巻回され、強磁性コア３３の周囲に配置される。

図５は、端部３０にテーパー部３８を含む継電器接極子１０を示している。図１、図２、図４、および図５に示されているように、開示されている概念は、固定磁極片１６と可動接極子１０の両方に対してテーパー構造を使用する。従来の継電器（図示せず）では、一般に、適切な保持力を生成するために平らな強磁性片が使用されるが、これは、電気保持形継電器に比べて、磁気保持形継電器には必要ではない。したがって、テーパー状固定磁極片１６（図１、図２、および図４に最も詳細に示されている）と、磁気保持形継電器２のテーパー状固定磁極片１６と相補的な形状を有するテーパー部３８（図５に最も詳細に示されている）であって、一状態では磁気的に保持され、他の状態では電磁的に保持されるテーパー部３８を有する接極子１０とを使用することにより、継電器２のピックアップ電圧は、衝撃および振動性能を損なうことなく大幅に低下される。接極子１０と磁気カプラ１６のテーパー状の構造により、図２に示されている位置にある時の可動接極子１０とテーパー状固定磁極片１６との間の磁気ギャップを低減することができる。

可動接極子１０のテーパー部３８およびテーパー状固定磁極片１６は、磁束線の表面積を増加させる。このことにより、適切な磁気強度を得るために（比較的高い）精度の接極子および磁極片を備える必要性は回避される。開示されている概念により、比較的高いプルイン強度、比較的低いプルインもしくはピックアップ電圧、またはプルイン強度の増加とピックアップ電圧の低下との組み合わせ／最適化が得られる。このことにより、比較的高い温度では（抵抗が大きくなるので）コイル性能は低下するので、磁気性能の向上が比較的高い温度での用途にとって重要であることから、継電器２を閉路する（例えば、図２の位置から図４の位置まで移行させる）のに必要な比較的低い電圧、比較的高い温度の用途での性能向上、またはこれらの最適な組み合わせが得られる。

磁束線の表面積が増加することにより、磁束経路が増加し、ひいては図２および図４に示されるようなシーソー型接極子１０に比較的多くの磁力が加わることになる。あるいは、コイル巻線３４、３６のアンペアターンを増加させずに、および／または継電器アクチュエータコイル４の重量およびサイズを増加させずに、継電器２の動作温度を上昇させることができる。

実施例１
図６は、図１〜図５のアクチュエータコイル４、強磁性フレーム８、強磁性接極子１０、永久磁石１２、磁極片１４、および磁気カプラ１６を含む双投型継電器５０を示した図である。継電器５０は、ライン用、第１の負荷用、および第２の負荷用の３つの端子５２、５４、５６を含む。（図６に関して）接極子１０の上に配置されるのは、プラスチックキャリア５８および可動接触子キャリアアセンブリ６０（例えば、銅もしくはベリリウム製であるが、これに限定されない）である。２つの可動接触子６２、６４は、可動接触子キャリアアセンブリ６０上に配置される。（図６に関して）２つの固定接触子６６、６８はそれぞれ、端子５４、５６の下に配置される。図６に示されている位置（図２に示されている接極子１０の位置に対応する）では、可動接触子６２が固定接触子６６に電気的かつ機械的に係合する。この位置では、接触子６４、６８は、磁石１２によって磁気的に開放された状態で保持される。図４に示されている接極子１０の位置に対応する位置（図示せず）では、可動接触子６４が固定接触子６８に電気的かつ機械的に係合する。内部金属箔７０は、端子５２を可動接触子キャリアアセンブリ６０に電気的に接続する。留め具７２は、金属箔７０の一端７４を端子５２に電気的かつ機械的に接続し、リベット７６は金属箔７０の反対端７８を可動接触子キャリアアセンブリ６０に電気的かつ機械的に接続する。バランススプリング８０（例えば、リセットバランサやダンプナーがあるが、これに限定されない）が、プラスチックキャリア５８と可動接触子キャリアアセンブリ６０との間に結合される。

図６に示されているように、継電器５０は、中央端子５２から内部金属箔７０、可動接触子キャリア６０、第１可動接触子キャリア６２、ノーマルクローズ型固定接触子６６、そして端末５４までの第１の電流路を有する。コイル巻線３４、３６（図２および図４）が通電された後、接極子１０は（図４に示されている位置まで）枢動し、電流路が変化する。第２の電流路は、中央端子５２から内部金属箔７０、可動接触子キャリア６０、第２の可動接触子６４、ノーマルオープン固定接触子６８、そして端子５６までの電流路である。

実施例２
２つのコイル巻線３４、３６（図２および図４）の一方の通電を停止して、電力を節約し、継電器２内の発熱を最小限に抑えるために、適切な「エコノマイザ」もしくは「カットスロート」回路（図示せず）が使用されてもよい。エコノマイザ回路（図示せず）は、主要接触子（例えば、図６の６２、６６、および／または６４、６８）と同じ機構（例えば、接極子１０、プラスチックキャリア５８、および可動接触子キャリアアセンブリ６０）によって物理的に駆動される補助継電器接触子（図示せず）を使用して実現されることが多い。主接触子が閉路した時に補助継電器接触子が同時に開路することにより、接極子１０の完全な動作を確実にすることができる。さらに複雑な補助継電器接触子および同時動作に必要な較正により、この構造は比較的難しくなり、製造コストがかかる。

あるいは、エコノマイザ回路（図示せず）は、継電器閉路のコマンド（例えば、コイル巻線３４、３６に印加される適切な電圧）に応答して、第２のコイル巻線（例えば、コイル巻線３６）に、接極子の公称動作期間に比例する所定期間だけパルスを発するタイミング回路（図示せず）によって実現することができる。このことにより補助スイッチの必要はなくなるが、接極子１０が完全に閉路状態になり、適切に動作するという確認にはならない。

エコノマイザ回路（図示せず）は、例えば、電源投入後の初期時間（例えば、限定的ではないが、５０ｍＳ）の間に、実施例の継電器２のような電気的スイッチング装置内に比較的かなり大きな磁場を生成することにより、接極子１０が移動を完了して、自身の慣性、摩擦、およびスプリング力に打ち勝つことができるようにする従来の制御回路である。これは、比較的低い抵抗の適切な回路もしくはコイルと、先のコイルと直列にある比較的高い抵抗の適切な回路もしくはコイルとを含む二重コイル構造を使用することによって達成される。最初、エコノマイザ回路は、電流を低抵抗回路内に流すが、適切な期間が経過した後、エコノマイザ回路は低抵抗経路を切断する。この手法により、定常状態の間（例えば、比較的長い通電期間）に消費される電力量を低減することができる。

実施例３
図７は、図１〜図５のアクチュエータコイル４、強磁性フレーム８、強磁性接極子１０、永久磁石１２、磁極片１４、および磁気カプラ１６を含む単投ノーマルクローズ型継電器９０を示した図である。継電器９０は、端子５６と接触子６４、６８を含まず、止め具９２を含むこと以外は、図６の継電器５０とほぼ同じである。

実施例４
図８は、図１〜図５のアクチュエータコイル４、強磁性フレーム８、強磁性接極子１０、永久磁石１２、磁極片１４、および磁気カプラ１６を含む単投ノーマルオープン型継電器１００を示した図である。継電器１００は、端子５４と接触子６２、６６を含まず、止め具１０２を含むこと以外は、図６の継電器５０とほぼ同じである。

実施例５
実施例の継電器２、５０、９０、１００は、１１５ＶＡＣ、４００Ｈｚ、モーター負荷４０Ａで動作することができる。ライン端子および負荷端子５２、５４、５６は、最大で＃１０ＡＷＧ単一導体まで対応可能であり、１８ｉｎ−ｌｂトルクを有するワイヤラグを使用することができる。

実施例６
図１〜図５からわかるように、継電器２は、第１の部分１１０と、テーパー部１１３を形成する磁気カプラ１６を有する反対側の第２の部分１１２とを含む略Ｌ字形の強磁性フレーム８を含む。永久磁石１２は、強磁性フレーム８の第１の部分１１０上に配置される。強磁性コア３３は、強磁性フレーム８の第１の部分１１０と反対側の第２の部分１１２との間に配置される。コイル４は、強磁性コア３３の周囲に配置される。強磁性接極子１０は、第１の部分１１４を形成する端部２８と、反対側の第２の部分１１６および強磁性接極子１０の第１の部分１１４と反対側の第２の部分１１６との間の枢動部１１８を形成する端部３０とを含む。強磁性接極子１０の反対側の第２の部分１１６は、図５に示されるように凹状テーパー部３８を有する。枢動部１１８は、強磁性コア３３上に枢動可能に配置される。テーパー部３８は、磁気カプラ１６によって形成された凸状テーパー部１１３と相補的な形状である。コイル４が非通電状態の時には、強磁性接極子１０は、強磁性接極子１０の第１の部分１１４が永久磁石１２によって磁気吸引され、テーパー部３８が相補的テーパー部１１３から引き離された第１の位置（図２）をとる。コイル４が通電状態の時には、強磁性接極子１０は、強磁性接極子１０の反対側の第２の部分１１６が強磁性フレーム８の反対側の第２の部分１１２によって磁気的に吸引され、テーパー部１１３がテーパー部３８と係合した第２の位置（図４）をとる。

磁極片１４は、第１の位置（図２）では、永久磁石１２と強磁性接極子１０の第１の部分１１４との間で永久磁石１２上に配置される。図２および図４からわかるように、接極子１０はシーソー型接極子であり、シーソー型接極子１０の第１の部分１１４の第１の面とシーソー型接極子１０の反対側の第２の部分１１６の第２の面との間に９０°〜１８０°の適切な鈍角を成す。磁気カプラ１６は、強磁性フレーム８の反対側の第２の部分１１２上に配置され、テーパー部１１３を有する。

開示されている概念は、比較的高い環境ストレスの環境での使用に適した比較的軽量の双安定継電器２、５０、９０、１００用の強磁性接極子１０および固定磁極片１６を提供する。これは、継電器の重量および／またはコイルの磁力／サイズを増加させずに、ピックアップ電圧（すなわち、継電器を非通電状態から通電状態に移行させるのに必要な電圧）を約２５％〜約３０％低下させる。このことにより、継電器は、周知の継電器技術の一般的な最高動作温度である比較的高い温度（例えば、限定的ではないが、８５℃より高い温度）の周囲環境で機能することができる。

高温で継電器を作動させることに関する一番の問題は、電源電圧もしくはライン間電圧が継電器を移行させるのに必要な電圧より低くなる程度までコイルの抵抗がかなり増大するということである。双安定継電器の主な利点は、切り替え後の（例えば、図４に示されている接極子１０の位置での）電力消費量が低く、耐衝撃性に優れているという点である。さらに、コイルのみにパルスが発せられ、継電器は、比較的少ない量の保持電流で磁気的に保持される。

開示されている概念は、固定磁極片１６と可動接極子１０の両方に対してテーパー構造を使用する。従来の継電器では、一般に、最も大きな保持力のために平らな磁極片が使用されるが、これは、電気保持形継電器に比べて、磁気保持形継電器では必要ではない。したがって、磁気保持形継電器用の開示されているテーパー磁極片１６と開示されているテーパー状接極子１０、ピックアップ電圧は、衝撃および振動性能を損なうことなく大幅に低下される。さらに、開示されている概念を使用して、比較的低い動作周囲温度の継電器の重量を低減することができる。これは、コイルサイズを小さくすることにより達成し得、それによって継電器の全体質量を低減する。

開示されている概念の特定の実施形態について詳細に説明したが、当業者は、本開示の教示内容全体を踏まえて、上述の実施形態の細部に対してさまざまな修正や変更を加えることが可能であることは理解するであろう。したがって、開示されている特定の構造は、単なる例に過ぎず、本開示の概念の範囲を制限するものではなく、本開示の概念の範囲は、添付請求項およびそのありとあらゆる均等物の範囲全体に及ぶものとする。

Claims (11)

1. 第１の部分（１１０）と反対側の第２の部分（１１２）とを含む強磁性フレーム（８）、
   前記強磁性フレームの反対側の第２の部分（１１２）に配置され、第１のテーパー部（１１３）を有する、固定磁極片（１６）と、
   前記強磁性フレームの第１の部分に配置される永久磁石（１２）、
   前記強磁性フレームの第１の部分と反対側の第２の部分との間に配置される強磁性コア（３３）、
   前記強磁性コアの周囲に配置されるコイル（４）、および
   強磁性もしくは磁性接極子（１０）であって、第１の部分（１１４）、反対側の第２の部分（１１６）および前記強磁性もしくは磁性接極子の第１の部分と反対側の第２の部分との間の枢動部（１１８）を含み、前記強磁性もしくは磁性接極子の反対側の第２の部分は第２のテーパー部（３８）を有する、強磁性もしくは磁性接極子（１０）
   を備える電気的スイッチング装置（２；５０；９０；１００）であって、
   枢動部は、強磁性コア上に枢動可能に配置され、
   第２のテーパー部は、第１のテーパー部と相補的な形状であり、
   前記コイルが非通電状態の時には、前記強磁性もしくは磁性接極子は、前記強磁性もしくは磁性接極子の第１の部分が永久磁石によって磁気吸引され、第２のテーパー部は第１のテーパー部から引き離された第１の位置をとり、前記コイルが通電状態の時には、前記強磁性もしくは磁性接極子の反対側の第２の部分が前記強磁性フレームの反対側の第２の部分によって磁気吸引され、第１のテーパー部が第２のテーパー部に入り込む第２の位置をとり、
   固定磁極片（１６）および第１の空隙シム（２０）は、２つのねじ（２４）によって強磁性フレーム（８）の端部（２２）に取り付けられる、
   電気的スイッチング装置（２；５０；９０；１００）。
2. 前記電気的スイッチング装置が、継電器（２；５０；９０；１００）である、請求項１に記載の電気的スイッチング装置（２；５０；９０；１００）。
3. 前記継電器が双投型継電器（５０）である、請求項２に記載の電気的スイッチング装置（５０）。
4. 前記継電器が単投ノーマルクローズ型継電器（９０）である、請求項２に記載の電気的スイッチング装置（９０）。
5. 前記継電器が単投ノーマルオープン型継電器（１００）である、請求項２に記載の電気的スイッチング装置（１００）。
6. 磁極片（１４）が、前記第１の位置では、前記永久磁石と前記強磁性もしくは磁性接極子の第１の部分との間で前記永久磁石上に配置される、請求項１に記載の電気的スイッチング装置（２；５０；９０；１００）。
7. 前記強磁性もしくは磁性接極子が、シーソー型接極子（１０）である、請求項１に記載の電気的スイッチング装置（２；５０；９０；１００）。
8. 前記シーソー型接極子が、前記シーソー型接極子の第１の部分の第１の面と前記シーソー型接極子の反対側の第２の部分の第２の面との間に９０°〜１８０°の鈍角を成す、請求項７に記載の電気的スイッチング装置（２；５０；９０；１００）。
9. 前記強磁性フレームが、略Ｌ字形である、請求項１に記載の電気的スイッチング装置（２；５０；９０；１００）。
10. 第２のテーパー部が凹部であり、第１のテーパー部は凸部である、請求項１に記載の電気的スイッチング装置（２；５０；９０；１００）。
11. 第２の位置において、第１のテーパー部が第２のテーパー部と係合する、請求項１に記載の電気的スイッチング装置（２；５０；９０；１００）。

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