JP6343642B2 - 直流リレー - Google Patents

Description

本発明は、直流リレー（Direct Current Relay）に関し、特に、オン動作時に固定コアと可動コア間で発生する衝撃とオフ動作時にシャフトとプレート間で発生する衝撃を緩和して騒音の発生を低減させた直流リレーに関する。

一般に、直流リレー又は電磁開閉器（Magnetic Switch）は、電磁石の原理を利用して機械的な駆動と電流信号を伝達する電気的な回路開閉装置の一種であって、各種産業用設備、機械、及び車両等に設けられる。

特に、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車、ゴルフカート、電動フォークリフトなどの電気自動車（Electric Vehicle）は、バッテリの電力を動力発生装置及び電装部に対して供給または遮断するための電気自動車用リレー（Electric Vehicle Relay）を備えており、当該電気自動車用リレーは電気自動車において非常に重要な中核部品の１つである。

図６及び図７は従来の直流リレーの構造図であって、図６は遮断状態（オフ状態）を示し、図７は通電状態（オン状態）を示す。
従来技術による直流リレーは、アークチャンバ１の上部に固定設置される一対の固定接点２と、アークチャンバ１の内部に直線運動可能に設置されて一対の固定接点２に接離する可動接点３と、アークチャンバ１の下方に設置されて可動接点３を直線運動させるアクチュエータＡと、可動接点３の接圧力を確保するためのコンタクトスプリング４とを含む。

アクチュエータＡは、外部電源が入力されると磁場を発生するコイル５と、コイル５の内部に固定設置される固定コア６と、固定コア６の下方に上下運動可能に設置される可動コア７と、下端が可動コア７に固定結合されて上端が可動接点３に摺動可能に結合されるシャフト８と、固定コア６と可動コア７間に設置されて可動コア７を固定コア６から遠ざかる方向に復帰させるリターンスプリング９とを含む。ここで、シャフト８は、固定コア６の中心部に形成されたシャフト孔に案内されて摺動する。

このような従来の直流リレーの動作は次の通りである。
まず、オン動作は次のように行われる。図６に示す遮断状態においてコイル５に電流が流れると、コイル５周辺に磁場が形成され、その磁場中で固定コア６が磁化する。固定コア６の磁気吸引力により可動コア７がリターンスプリング９を圧縮して上昇する。それと共に、可動コア７に結合されたシャフト８がコンタクトスプリング４を圧縮して上昇し可動接点３を押し上げる。これにより、可動接点３が固定接点２に接触するようになり、主回路に通電が行われる。すなわち、図７に示す通電状態となる。
しかし、このときに可動コア７が固定コア６に衝突して騒音が発生する。

一方、オフ動作は次のように行われる。図７に示す通電状態において遮断信号が発生すると、コイル５に供給されていた電流が遮断されて磁場が消滅する。これにより、固定コア６の磁気吸引力が消滅し、可動コア７がリターンスプリング９及びコンタクトスプリング４の復元力により速い速度で下方に移動する。それと共に、シャフト８も下方に移動し、可動接点３が固定接点２から分離することにより、主回路は図６に示す遮断状態となる。
シャフト８の中間に形成された中間突起部８ａがプレート１ａ又はパッドプレート１ｂに当接するため、シャフト８の下方への移動は停止する。しかし、このときに中間突起部８ａがプレート１ａ又はパッドプレート１ｂに衝突して騒音が発生する。

このように、従来の直流リレーにおいては、オン動作時に可動コア７が固定コア６に衝突して発生する騒音とオフ動作時にシャフト８がプレート１ａ、１ｂに衝突して発生する騒音とにより、感性品質が低下するという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、オン動作時に固定コアと可動コアとの間で発生する衝撃とオフ動作時にシャフトとプレートとの間で発生する衝撃とを緩和して騒音の発生を低減させた直流リレーを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態による直流リレーは、フレームの一側に固定設置される一対の固定接点と、前記一対の固定接点の下方に直線運動可能に設置されて前記一対の固定接点に接離する可動接点と、前記可動接点の下方に設置されるプレートと、前記可動接点と前記プレート間に備えられるコンタクトスプリングと、前記プレートに設置され、中心にシャフト孔が貫通形成される固定コアと、前記固定コアの下方に直線運動可能に設置される可動コアと、前記固定コアの上部に備えられる弾性部材と、上端には前記可動接点の上方に突出する取付部が形成され、下端が前記可動コアに結合されるシャフトと、前記可動接点と前記取付部間に設置される引張スプリングと、下端が前記可動コアの上部に形成されたスプリング孔に固定され、中間部が前記固定コアのシャフト孔を貫通し、上端が前記弾性部材に固定されるリターンスプリングとを含む。

ここで、前記プレートには、鍔部が形成され、前記固定コアの上部には、前記鍔部に載置可能なフランジ部が形成されるようにしてもよい。
また、前記可動接点と前記プレートとの間に絶縁プレートが備えられ、前記コンタクトスプリングの下端が前記絶縁プレートに設置されるようにしてもよい。
さらに、前記シャフトは、一字状に形成され、前記取付部は、フランジで構成されるようにしてもよい。
さらに、遮断状態で外力が加わっておらず、前記引張スプリングと前記コンタクトスプリングが力の均衡を保っているとき、前記可動接点は、前記固定接点から分離した状態となるようにしてもよい。

本発明の一実施形態による直流リレーにおいては、固定コアがプレートの上方から挿入設置され、上方に移動できるように遊びを確保しており、オン動作時に可動コアとの衝撃が緩和されて騒音が低減されるという効果がある。
また、従来の直流リレーに用いられていたシャフトの中間突起部を有しないため、オフ動作時にシャフトがプレートに衝突しなくなり、シャフトとプレートとの間に騒音が発生しないという効果がある。
さらに、シャフトの上部に引張スプリングが設けられているので、引張スプリングによって可動接点を固定接点に近づく方向に付勢することができるという効果がある。

本発明の実施形態の直流リレーの構造図であって、遮断状態を示す。 本発明の実施形態の直流リレーの構造図であって、通電状態を示す。 本発明の実施形態の直流リレーの作用図であって、遮断状態を示す。 本発明の実施形態の直流リレーの作用図であって、オン動作中に可動接点が固定接点に接触した状態を示す。 本発明の実施形態の直流リレーの作用図であって、オン動作完了状態を示す。 従来の直流リレーの構造図であって、遮断状態を示す。 従来の直流リレーの構造図であって、通電状態を示す。

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が、これらは本発明を詳細に説明するためのものであり、本発明の技術的思想や範囲を限定するものではない。

図１及び図２は本発明の実施形態の直流リレーの構造図であって、図１は遮断状態を示し、図２は通電状態を示す。

本発明の実施形態の直流リレーは、フレームの一側に固定設置される一対の固定接点１１と、一対の固定接点１１の下方に直線運動可能に設置されて一対の固定接点１１に接離する可動接点１２と、可動接点１２の下方に設置されるプレート２０と、可動接点１２とプレート２０との間に備えられるコンタクトスプリング３０と、プレート２０の中央孔２１に挿入設置され、中心にシャフト孔４２が貫通形成される固定コア４０と、固定コア４０の下方に直線運動可能に設置される可動コア４５と、上端には可動接点１２の上方に突出する取付部５１が形成され、下端が可動コア４５に結合されるシャフト５０と、可動接点１２と取付部５１との間に設置される引張スプリング３５とを含む。

フレーム（不図示）は、図１に示す構成要素を内蔵して支持できる箱状のケースからなる。
アークチャンバ１０（arc chamber）は、下面が開放された箱状に形成され、フレーム内部の上側に設けられる。アークチャンバ１０は、遮断時に接点部に発生するアークを消弧できるように、絶縁性、耐圧性、耐熱性に優れた材質で形成される。
固定接点１１（fixed contact）は、一対からなり、フレーム及びアークチャンバ１０に固定設置される。一対の固定接点１１のいずれか一方は電源側に接続され、他方は負荷側に接続される。

可動接点１２（moving contact）は、所定長さの板状体からなり、一対の固定接点１１の下方に設置される。可動接点１２は、リレー内部の下側に設置されるアクチュエータ６０により上下に直線運動して固定接点１１に接離可能になっている。

アクチュエータ６０は、磁路（magnetic circuit）を形成するＵ字状のヨーク６１と、ヨーク６１の内部に設置されるボビン６２に巻回されて外部電源の供給により磁場を発生するコイル６３と、コイル６３の内部に固定設置されてコイル６３から発生する磁場により磁化して磁気吸引力を発生する固定コア４０と、固定コア４０の下方に直線運動可能に設置されて固定コア４０の磁気吸引力により固定コア４０に接離する可動コア４５と、下端が可動コア４５に結合されて上端が可動接点１２に摺動可能に貫挿されるシャフト５０と、固定コア４０と可動コア４５との間に設置されて可動コア４５を下方に復帰させるリターンスプリング４４とを含んでもよい。

プレート２０は、アクチュエータ６０とアークチャンバ１０との間に備えられる。プレート２０は、ヨーク６１の上部に結合されてもよい。プレート２０は、磁性体で形成されて磁路を形成することができ、上方のアークチャンバ１０及び下方のアクチュエータ６０がそれぞれ設置される支持板の役割を果たすことができる。

プレート２０とアークチャンバ１０との間には密封用部材が備えられてもよい。例えば、アークチャンバ１０の下部周囲に沿って密封用カバー部材１５が備えられてもよい。
コンタクトスプリング３０は、可動接点１２とプレート２０との間に備えられる。コンタクトスプリング３０は、可動接点１２を支持し、通電時に可動接点１２に接圧力を供給するために設けられる。コンタクトスプリング３０は、圧縮コイルばねで構成されてもよい。

アークチャンバ１０とプレート２０との間には、絶縁性能を保証するために絶縁プレート２５が備えられてもよい。絶縁プレート２５は、アークチャンバ１０の下面部を覆い、プレート２０から所定距離離隔して設けられるようにしてもよい。絶縁プレート２５が設けられた場合、コンタクトスプリング３０は、絶縁プレート２５と可動接点１２との間に設置されてもよい。

固定コア４０は、プレート２０に上方から挿入される方式で設置されてもよい。従来技術においては、固定コア４０がプレートの下部に固定結合される方式で設置されていて可動コア４５との衝突時に騒音が発生していたが、それを低減するために、本実施形態においては、固定コア４０がプレート２０の上部に嵌合方式で設置されて上方に移動できるようにする。

このように固定コア４０の移動を可能にする一例として、プレート２０の中央孔２１には鍔部２１ａが形成され、固定コア４０の上部には鍔部２１ａに載置可能なフランジ部４１が形成され、フランジ部４１が鍔部２１ａに載置される方式で設置されるようにしてもよい。すなわち、固定コア４０は、プレート２０の上部に載置されて上方に移動可能にしてもよい。よって、可動コア４５による衝撃が加わると、固定コア４０が上方に若干移動して衝撃量と騒音を低減することができる。

固定コア４０の上部には弾性部材５５が設けられる。弾性部材５５は、プレート２０の上部に設けられてもよい。固定コア４０の上部に弾性部材５５が設けられているので、固定コア４０が上方に移動するときに弾性部材５５により衝撃が吸収されて騒音が低減される。弾性部材５５は、ゴム又は軟質の合成樹脂などからなるようにしてもよい。

シャフト５０は、全体として一字状の棒で構成される。シャフト５０は、下端部が可動コア４５に固定結合されて可動コア４５の移動により共に移動する。シャフト５０は、固定コア４０、弾性部材５５、絶縁プレート２５及び可動接点１２を貫通して摺動可能に挿入設置され、その一部が可動接点１２の上部から露出する。シャフト５０は、従来技術に適用されていたコンタクトスプリングを取り付けるための中間突起部が除去されて一字状に形成されているので、遮断時にプレート２０との衝撃が発生しないことから騒音が発生しない。

シャフト５０の上端には、引張スプリング３５を設置するための取付部５１が形成される。取付部５１は、フランジで構成されてもよい。

引張スプリング３５は、シャフト５０の取付部５１と可動接点１２との間に備えられる。引張スプリング３５の上端はシャフト５０の取付部５１に固定され、引張スプリング３５の下端は可動接点１２の上部に固定される。本実施形態においては、可動接点１２の貫通孔１３の上部に係止凹部１３ａが形成され、係止凹部１３ａに引張スプリング３５の下端を固定できるようになっている。

引張スプリング３５は、引張コイルばねで構成されてもよい。通電時にシャフト５０が上方に移動すると、引張スプリング３５によって可動接点１２を引き上げる力を発生して可動接点１２に接圧力を供給する。

図１に示すように、遮断状態で外力が作用しない場合、可動接点１２はコンタクトスプリング３０と引張スプリング３５の力の均衡点に位置する。このとき可動接点１２が固定接点１１から分離した位置にあるように、コンタクトスプリング３０及び引張スプリング３５の長さやばね定数などを設計しなければならない。

リターンスプリング４４は、可動コア４５の復帰をサポートするために設けられる。リターンスプリング４４は、圧縮コイルばねで構成されてもよい。リターンスプリング４４は、固定コア４０のシャフト孔４２を貫通して上端が弾性部材５５に固定されるように設置される。しかし、これに限定されるものではなく、リターンスプリング４４の他の設置例として、リターンスプリング４４の下端は可動コア４５の上部に形成されたスプリング孔４６に固定され、リターンスプリング４４の上端は固定コア４０の下部に形成されたスプリング孔（不図示）に固定されるようにしてもよい。

リターンスプリング４４のばね定数は、コンタクトスプリング３０や引張スプリング３５のばね定数より大きくなるように設定してもよい。こうすることにより、遮断時にリターンスプリング４４の復元力によるシャフト５０の下降が迅速になる。

以下、本発明の実施形態による直流リレーの動作について説明する。
まず、図１及び図２を参照してオン動作の概要を説明する。図１に示す遮断状態で外部電源が入力されると、コイル６３周辺に磁場が発生し、固定コア４０が磁化する。固定コア４０の磁気吸引力により可動コア４５が固定コア４０に引き寄せられて衝突する。このとき、可動コア４５が固定コア４０に接触して発生する衝撃の一部は固定コア４０が弾性部材５５を圧縮しながら所定距離上昇する過程で吸収されて衝撃量が減少し、それにより騒音が低減される（図２参照）。

次に、図３〜図５を参照して直流リレーの動作について詳細に説明する。なお、図３〜図５には動作説明のための主要構成のみを示す。
オン動作時、可動コア４５に結合されたシャフト５０が上方に移動してコンタクトスプリング３０と引張スプリング３５の力の均衡点が上方に移動することにより、可動接点１２は上方に移動する。すなわち、遮断時のように外力が作用しない場合は、可動接点１２がコンタクトスプリング３０と引張スプリング３５の力の均衡点に位置するが（図３参照）、外部電源が入力されてシャフト５０が上方に移動すると、コンタクトスプリング３０と引張スプリング３５が伸びて可動接点１２を上方に移動させる。ここで、コンタクトスプリング３０と引張スプリング３５は付勢力が蓄積されて伸びる（図４、図５参照）。図４はオン動作中にシャフト５０が距離「ｇ」だけ上昇して可動接点１２が固定接点１１に接触した状態を示す図であり、図５は可動接点１２が固定接点１１に接触した状態でシャフト５０が距離「ｔ」だけさらに上昇して可動コア４５が固定コア４０に接触した状態を示す図である。

ここで、コンタクトスプリング３０及び引張スプリング３５のばね係数をそれぞれｋ１、ｋ２、固定コア４０と可動コア４５間の距離（ストローク）をｓ、固定接点１１と可動接点１２間の距離（ギャップ）をｇとすると、接圧力を付与するオーバートラベル（over travel）はｔ＝ｓ−ｇとなる。なお、従来技術における接圧力（ｆ）はｆ＝ｋ１＊ｔである。

図４に示すように可動接点１２が固定接点１１に接触した瞬間、コンタクトスプリング３０と引張スプリング３５の関係式は、力の均衡により、ｆ１＝ｋ１＊（ｙ２−ｙ１）＝ｋ２＊（ｈ２−ｈ１）となる。ここで、ｙ１、ｙ２はそれぞれコンタクトスプリング３０の初期長さ及び伸びた長さを示し、ｈ１、ｈ２はそれぞれ引張スプリング３５の初期長さ及び伸びた長さを示す。

また、図５に示すようにオン動作が完了して可動コア４５が固定コア４０に接触した状態では、引張スプリング３５に作用する力ｆ２＝ｋ２＊（ｈ３−ｈ１）となる。
すなわち、接圧力（ｆ）は、ｆ＝ｆ２−ｆ１＝ｋ２＊（ｈ３−ｈ１）−ｋ１＊（ｙ２−ｙ１）となる。ここで、ｓ＝ｈ３−ｈ１、ｇ＝y２−ｙ１であるので、接圧力（ｆ）はｆ＝ｋ２＊ｓ−ｋ１＊ｇとなる。もし、ｋ１＝ｋ２であると、接圧力（ｆ）はｆ＝ｋ２＊ｓ−ｋ１＊ｇ＝ｋ１＊（ｓ−ｇ）＝ｋ１＊ｔとなるので、従来技術における接圧力と同じであり、接圧力の損失がない。すなわち、図５のような通電状態では、可動接点１２において従来と同じレベルの接圧力が維持される。実質的には、コンタクトスプリング３０及び引張スプリング３５のばね定数を適切に組み合わせることにより、接圧力の大きさを調整し、アークチャンバの限られた空間内で適切なシャフトの規格を設計することができる。

結局、可動コア４５が固定コア４０に接触することにより、可動接点１２が固定接点１１に接圧力を加えることになり、主回路に通電が行われる。
一方、オフ動作（遮断動作）は次のように行われる。図２のような通電状態で遮断信号が入力されると、コイル６３に供給されていた電流が遮断されてコイル６３周辺の磁場が消滅し、固定コア４０の磁気吸引力が消滅する。よって、リターンスプリング４４、コンタクトスプリング３０及び引張スプリング３５の復元力により、可動コア４５が下方に復帰する（図１参照）。このとき、シャフト５０が一字状に形成されているので、シャフト５０とプレート２０との衝突が発生せず、騒音が発生しない。

上記の実施形態による直流リレーにおいては、固定コア４０がプレート２０の上方から挿入設置され、上方に移動できるように遊びを確保しており、オン動作時に可動コア４５との衝撃が緩和されて騒音が低減されるという効果がある。
また、従来技術に適用されていたシャフトの中間突起部が除去され、オフ動作時にシャフト５０がプレート２０に衝突しなくなり、騒音が発生しないという効果がある。
さらに、シャフト５０の上部に引張スプリング３５が設けられており、固定接点１１と可動接点１２との間に必要な接圧力が維持されるという効果がある。

前述した実施形態は例示的なものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の基本的な特性を逸脱しない範囲で様々な修正や変形が可能である。つまり、前述した実施形態は本発明の技術思想を説明するためのものにすぎず、前述した実施形態により本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の権利範囲は添付の特許請求の範囲により定められるべきであり、同等の範囲内にある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

１０ アークチャンバ
１１ 固定接点
１２ 可動接点
１３ 貫通孔
１３ａ 係止凹部
１５ カバー部材
２０ プレート
２１ 中央孔
２１ａ 鍔部
２５ 絶縁プレート
３０ コンタクトスプリング
３５ 引張スプリング
４０ 固定コア
４１ フランジ部
４２ シャフト孔
４４ リターンスプリング
４５ 可動コア
４６ スプリング孔
５０ シャフト
５１ 取付部
５５ 弾性部材
６０ アクチュエータ
６１ ヨーク
６２ ボビン
６３ コイル

Claims (5)

1. フレームの一側に固定設置される一対の固定接点と、
   前記一対の固定接点の下方に直線運動可能に設置されて前記一対の固定接点に接離する可動接点と、
   前記可動接点の下方に設置されるプレートと、
   前記可動接点と前記プレート間に備えられるコンタクトスプリングと、
   前記プレートに設置され、中心にシャフト孔が貫通形成される固定コアと、
   前記固定コアの下方に直線運動可能に設置される可動コアと、
   前記固定コアの上部に備えられる弾性部材と、
   上端には前記可動接点の上方に突出する取付部が形成され、下端が前記可動コアに結合されるシャフトと、
   前記可動接点と前記取付部間に設置される引張スプリングと、
   下端が前記可動コアの上部に形成されたスプリング孔に固定され、中間部が前記固定コアのシャフト孔を貫通し、上端が前記弾性部材に固定されるリターンスプリングとを含む、直流リレー。
2. 前記プレートには、鍔部が形成され、
   前記固定コアの上部には、前記鍔部に載置可能なフランジ部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の直流リレー。
3. 前記可動接点と前記プレート間に絶縁プレートが備えられ、
   前記コンタクトスプリングの下端が前記絶縁プレートに設置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の直流リレー。
4. 前記シャフトは、一字状に形成され、前記取付部は、フランジで構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の直流リレー。
5. 遮断状態で外力が加わっておらず、前記引張スプリングと前記コンタクトスプリングが力の均衡を保っているとき、前記可動接点は、前記固定接点から分離した状態にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の直流リレー。

Images