JP6421333B2 - 電磁引き外し装置および回路遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、電磁引き外し装置および回路遮断器に関する。

従来より、時延引外し要素としてオイルダッシュポット付き電磁石を用いた回路遮断器が知られている。（例えば、特許文献１を参照）。

すなわち、特許文献１に示された電磁引き外し装置では、電磁コイルに過電流が流れると磁性体であるプランジャが制動ばね（特許文献１の「ばね５３」に相当）のばね力に打ち勝ってポールヘッド側に動く。そして、ポールヘッドに接近するとプランジャの磁束量が大きくなり、磁性体であるアマチュア（特許文献１の「操作棒６２ａ」に相当）はポールヘッド側により強く吸引される。そして、アマチュアは回転運動し、配線用遮断器のラッチを外す。ラッチが外れることで、回路遮断器はトリップする。

オイルダッシュポット付き電磁石では、シリンダ内の制動油の粘性抵抗によるプランジャの制動を利用して反限時特性が得られる。一方、非常に大きな電流が流れると磁束が増大するため、プランジャがほとんど動かない状態でもアマチュアは瞬時に吸引され、回路遮断器はトリップする。

特開２０１３−１４５６４３号公報

ところで、従来のモータに比べ、近年のトップランナーモータは、始動電流が大きい。したがって、上記従来の回路遮断器では始動時に誤動作する可能性がある。そのため、モータ始動電流領域での動作時間のみを遅延させることができれば良い。即ち、始動電流領域（定格電流に対し、６〜８倍程度）での動作時間を従来に比べて遅くし、低過電流領域（定格電流に対し、１．２５〜２倍程度）及び短絡電流領域（定格電流の約１５倍以上）での動作時間を従来と同等にできれば良い。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであって、始動電流領域での動作時間が従来に比べて遅く、低過電流領域及び短絡電流領域での動作時間を従来と同等とすることで、モータ始動電流が大きい場合の誤動作を防止することができる、引き外し装置および回路遮断器を提供することを目的とする。

本発明の電磁引き外し装置は、有底円筒状の非磁性材からなるシリンダと、磁性体からなり、前記シリンダ内部に設けられたプランジャと、前記プランジャを前記シリンダの底部となる後端側に向けて押す制動ばねと、磁性体からなり前記シリンダの前端側の開口を密閉するポールヘッドと、前記シリンダを巻くように設けられた電磁コイルと磁性体からなり、前記電磁コイルの外側に設けられ、前記シリンダの軸方向と平行に配置された平行片と、前記シリンダに向かって延びる直角片とを有するヨークと、磁性体からなり、前記ポールヘッド側へ回転運動できるような形で、前記ヨークに接続されているアマチュアと、を備え、前記アマチュアは、前記ポールヘッドの前端側の面に対向する第１片と、該第一片の前記ヨーク側の端部から後端側に折れ曲がって延びた第２片とを備え、前記アマチュアの第２片は、前記ポールヘッドと前記ヨークの間に設けられ、前記第２片の先端側の一部が、前記ポールヘッドの後端側の面より後端側に位置することを特徴とする。

本発明の回路遮断器は、上記電磁引き外しを備えたことを特徴とする。

本発明では、モータ始動電流が大きい場合の誤動作を防止することができる、引き外し装置および回路遮断器を提供することができる。

本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の基本構成図である。 本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の断面図である。 低過電流領域の場合の本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を説明するための断面図である。 低過電流領域の場合の本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を説明するための断面図である。 始動電流領域の場合の本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を説明するための断面図である。 短絡電流領域の場合の本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を説明するための断面図である。 本実施形態に係る電磁引き外し装置１００のアマチュア７を示した斜視図である。 アマチュア７の変形例を示した斜視図である。 アマチュア７の変形例を示した断面図である。 アマチュア７の第２片７ｂの作用を説明するための断面図である。 本実施形態に係る電磁引き外し装置を回路遮断器に搭載したときの構成図である。

以下、本実施形態に係る電磁引き外し装置１００について、図１、図２、図７、図８を用いて説明する。
＜構成＞
図１は、本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の基本構成図である。図１に示すように、電磁引き外し装置１００は、有底円筒状の非磁性材からなるシリンダ１と、シリンダ１の内部に設けられたプランジャ２と、プランジャ２をシリンダ１の底部となる後端側に向けて押す制動ばね３と、シリンダ１を密閉するポールヘッド４と、シリンダ１を巻くように設けられた電磁コイル５と、略Ｌ字型の磁性体からなるヨーク６と、磁性体からなりポールヘッド４側へ回転運動可能なアマチュア７とからなる。

プランジャ２は断面が略円形である略軸対称形状であり、制動ばね３の一端が接触する径が太い部分（太径部２ａ）と、制動ばね３の内径より径が細い突出部２ｂとからなる。突出部２ｂは、制動ばね３の内側に入り込む構成になっている。

シリンダ１の底部と反対側には、ポールヘッド４が設けられ、プランジャ２と制動ばね３は、シリンダ１とポールヘッド４が囲む空間に収納される。通常、シリンダ１とポールヘッド４が囲む空間は、密閉状態であり、オイルなどの液体が充填されているが、本発明は、液体が充填されていない構成も含むものである。

ヨーク６は、略Ｌ字型の磁性体からなり、シリンダ１の軸に対して平行に配置された平行片６ａとシリンダ１の軸に対して直角方向に延びる直角片６ｂを有する。また、直角片６ｂはプランジャ２側に延びており、シリンダ１に接続されている。なお、本発明では、
ヨーク６は後述するようにプランジャ２と磁路を形成するように配置されていればよく、シリンダ１に必ずしも固定されていなくてもよい。

電磁コイル５は、プランジャ２とヨーク６に挟まれる形で、シリンダ１を巻くように設けられている。また、電磁コイル５は、主電路１１に接続されている。本実施形態では、電磁コイル５と主電路１１は同一部材で一体構成されている。なお、本発明では、電磁コイル５と主電路１１が別部材であり、電気的に接続された構成であってもよい。

アマチュア７は、通常、磁性体からなる。アマチュア７は、ポールヘッド４側へ回転運動できるような形で、ヨーク６の平行片６ａに接続されている。

本実施形態に係る電磁引き外し装置１００のアマチュア７の形態を図２、図７、図８に基づいて説明する。図２は、電磁引き外し装置１００の断面を示したものである。また、図２では構成を理解し易くするため、制動ばね３の図示は省略した。

図２に示すように、アマチュア７は、ポールヘッド４の前端側の面に対向する第１片７ａと、第１片７ａのヨーク６側の端部から後端側に折れ曲がって延びた第２片７ｂとを備えている。アマチュア７の回転中心は、第１片７ａと第２片７ｂとの間にあり、第２片７ｂは、ヨーク６とポールヘッド４との間に設けられている。図７に示すように、本実施形態では、アマチュア７は、一対の第２片７ｂを備えている。また、第２片７ｂは第１片７ａと同一部材であり、一体で形成されている。図７では、アマチュア７の第１片７ａの第２片７ｂ側の端部には、アマチュア７を位置決めするための穴が設けられている。また、アマチュア７の第１片７ａの第２片７ｂ側と反対側の端部には、アマチュア７をヨーク６側に引き寄せるためのばねを設置するための片が設けられている。

本実施形態に係る電磁引き外し装置１００が回路遮断器に取り付けられた状態では、第２片７ｂの先端側の一部は、ポールヘッド４より後端側に位置する。即ち、第２片７ｂの先端側の一部は、図２に示した点線より後端側に位置する構成になっている。

図７では、第２片７ｂは、二つ設けられているが、本発明では、第２片７ｂは、一又は三以上設けられていてもよく、図８に示すように、二つの第２片７ｂの先端部がつながっているように形成されていてもよい。また、図７では、第２片７ｂは、第１片７ａの両サイドから折れ曲がるように形成されているが、第１片７ａの両サイド以外の部分、例えば、中央部から折れ曲がるように形成されていてもよい。

また、本実施形態の第２片７ｂは、第１片７ａと同一部材であり、一体で形成されているが、本発明では、第２片７ｂは、第１片７ａと別部材であって、第１片７ａに溶接、ロー付け、かしめ、接着などで接続されているものであってもよい。また、本実施形態の第２片７ｂの先端側の一部が、ポールヘッド４より後端側に位置するように構成されているが、本発明では、第２片７ｂの先端側の一部が、ポールヘッド４より後端側に位置しない構成、即ち、第２片７ｂの全部が図２に示した点線より前端側に位置する構成であってもよい。
＜動作＞
以下、電磁コイル５に流れる電流が低過電流領域の場合における本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を図２乃至図４に基づいて説明する。なお、図２乃至図４では構成を理解し易くするため、制動ばね３の図示は省略した。

電磁コイル５に電流が流れると、磁束が形成される。磁束は、ポールヘッド４とアマチュア７の第１片７ａとヨーク６とプランジャ２とによって形成される磁路を通過する。図２に示すように、ポールヘッド４とプランジャ２の突出部２ｂとの間にはギャップが形成
されているので、ポールヘッド４とプランジャ２との間には磁気吸引力が働く。即ち、プランジャ２には、ポールヘッド４側に移動する方向の力が働く。

プランジャ２に働く磁気吸引力が、制動ばね３がプランジャ２を押す力より大きくなると、プランジャ２はポールヘッド４側に移動し始める。プランジャ２の移動に伴い、ポールヘッド４とプランジャ２（突出部２ｂ）の間のギャップは小さくなる。ギャップが小さくなれば、ポールヘッド４とアマチュア７の第１片７ａとヨーク６、プランジャ２とによって形成される磁気回路の抵抗は小さくなるので、磁束は大きくなる。

磁束が大きくなることで、更にプランジャ２に働く磁気吸引力が大きくなり、ポールヘッド４とプランジャ２の間のギャップが更に小さくなる。以上の繰り返しによりギャップは徐々に小さくなっていくとともに、磁束は大きくなっていく。低過電流領域の場合は、図３に示すように、プランジャ２の突出部２ｂがポールヘッド４と接触又は近接する位置にまで達すると、アマチュア７の第１片７ａにもポールヘッド４側に向かう大きな吸引力が働き、アマチュア７は回転運動する。そして、図４に示すように、アマチュア７はポールヘッド４側に吸着される。回路遮断器の機構部のラッチ５０（図１１参照）がアマチュア７によって押されると、回路遮断器は動作する。

以下、電磁コイル５に流れる電流が始動電流領域の場合における本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を図５に基づいて説明する。なお、図５では構成を理解し易くするため、制動ばね３の図示は省略した。

電磁コイル５に電流が流れると、磁束が形成される。磁束は、ポールヘッド４とアマチュア７の第１片７ａとヨーク６とプランジャ２とによって形成される磁路を通過する。ポールヘッド４とプランジャ２との間、及びアマチュア７の第１片７ａとポールヘッド４との間には、それぞれギャップが形成されている。従って、電磁コイル５に電流が流れると、磁気吸引力により、プランジャ２及びアマチュア７の第１片７ａには、ポールヘッド４側に移動する方向の力が働く。

低過電流領域の場合に比べ、始動電流領域の場合は、電磁コイル５に流れる電流が大きいので、より大きな磁束が得られる。即ち、ポールヘッド４とプランジャ２との間のギャップがある程度小さくなれば、アマチュア７の第１片７ａはポールヘッド４側に移動し始める。始動電流領域の場合、ポールヘッド４とプランジャ２との間のギャップが、無通電の場合のギャップの約７０％になった場合（図５参照）、アマチュア７の第１片７ａは、回転運動する。そして、アマチュア７の第１片７ａは、回路遮断器の機構部のラッチ５０を押し、回路遮断器は動作する。

以下、電磁コイル５に流れる電流が短絡電流領域の場合における本実施形態に係る電磁引き外し装置１００の動作を図６に基づいて説明する。なお、図６では構成を理解し易くするため、制動ばね３の図示は省略した。

電磁コイル５に流れる電流が短絡電流領域の場合は、ポールヘッド４とプランジャ２との間のギャップが小さくならなくとも大きな磁束が得られ、通電開始から比較的短い時間で、アマチュア７は回転運動し、ポールヘッド４側に吸着される。一方、プランジャ２は、シリンダ１内部に存在する流体の粘性の影響で、アマチュア７ほど短い時間では動作することはできない。従って、アマチュア７が回転運動し、ポールヘッド４側に吸着されたときには、プランジャ２は、図６に示すように、まだシリンダ１の底側に停留している状態になっている。
＜作用＞
以下、本実施形態のアマチュア７の第２片７ｂの作用を図１０に基づいて説明する。な
お、図１０では構成を理解し易くするため、制動ばね３の図示は省略した。

電磁コイル５に電流が流れると、磁束が形成される。磁束は、ポールヘッド４とアマチュア７の第１片７ａとヨーク６とプランジャ２とによって形成される主磁路Ｌ１（図１０で実線で図示）と、ポールヘッド４とアマチュア７の第２片７ｂとヨーク６とプランジャ２とによって形成される副磁路Ｌ２（図１０で破線で図示）を通過する。

上述したように、通電により、アマチュア７の第１片７ａには、主磁路Ｌ１を通過する磁束の影響で、ポールヘッド４側に回転運動するような吸引力が働く。一方、通電により、アマチュア７の第２片７ｂには、副磁路Ｌ２を通過する磁束の影響で、ポールヘッド４へ向かう吸引力が働く。即ち、アマチュア７には、副磁路Ｌ２を通過する磁束の影響で、ポールヘッド４側への回転が妨げられる力が働く。

アマチュア７の第２片７ｂは、第１片７ａのヨーク６側の端部から後端側に、第１片７ａに対して略直角に折れ曲がって延びている。従って、アマチュア７の第２片７ｂの先端部とポールヘッド４とは、近接することなく、隔離している。また、アマチュア７の第１片７ａとポールヘッド４の前端側の面とは対向しているので、アマチュア７の第１片７ａとポールヘッド４の対向面積に比べると、アマチュア７の第２片７ｂとポールヘッド４の対向面積は小さい。従って、主磁路Ｌ１を通過する磁束に比べると、副磁路Ｌ２を通過する磁束は小さい。そのため、主磁路Ｌ１によるアマチュア７をポールヘッド４側に回転運動させる力に比べると、副磁路Ｌ２によるアマチュア７のポールヘッド４側への回転運動を妨げる力は小さい。

従って、電磁コイル５に過電流が流れた場合、アマチュア７の第２片７ｂを設けた場合であっても、主磁路Ｌ１の影響でアマチュア７はポールヘッド４側に回転運動する。また、アマチュア７の第２片７ｂを設けることで、アマチュア７にポールヘッド４側への回転運動を妨げる力を働かせることができ、回路遮断器の動作時間を遅延させることができる。
＜効果＞
以下、本実施形態の電磁引き外し装置の効果について述べる。比較例となる電磁引き外し装置は、アマチュア７の第２片７ｂを有しないものである。

低過電流領域では、比較例となる電磁引き外し装置に比べ、本実施形態の電磁引き外し装置の場合、副磁路Ｌ２を通過する磁束の影響で、通電開始からアマチュア７のポールヘッド４側への回転運動開始までの時間が、１０秒程度遅延する。

アマチュア７がポールヘッド４側へ回転運動すると、第１片７ａとポールヘッド４との間のギャップが小さくなるとともに、第２片７ｂとポールヘッド４のギャップが大きくなる。従って、アマチュア７のポールヘッド４側への回転に伴い、主磁路Ｌ１を通過する磁束は益々大きくなり、副磁路Ｌ２を通過する磁束は益々小さくなる。即ち、アマチュア７のポールヘッド４側への回転に伴い、主磁路Ｌ１によるアマチュア７をポールヘッド４側に回転運動させる力は益々大きくなり、副磁路Ｌ２によるアマチュア７のポールヘッド４側への回転運動を妨げる力は益々小さくなる。

従って、アマチュア７がポールヘッド４側へ回転運動し始めると、副磁路Ｌ２を通過する磁束が小さくなり、アマチュア７の第２片７ｂを設けたことによる動作時間遅延の効果が得られ難くなる。従って、アマチュア７の第２片７ｂが有る場合と無い場合を比較すると、アマチュア７がポールヘッド４側へ回転運動し始めた後から回路遮断器がトリップするまでの時間は、ほぼ同じになる。

一方、比較例の電磁引き外し装置を搭載したブレーカは、通電開始から１分程度（定格電流に対し、２倍程度の通電の場合）〜６分程度（定格電流に対し、１．２５倍程度の通電の場合）でトリップ動作する。

従って、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載したブレーカの場合は、アマチュア７がポールヘッド４側へ回転運動し始めるまでの時間を考慮すると、通電開始から１分１０秒程度（定格電流に対し、２倍程度の通電の場合）〜６分１０秒程度（定格電流に対し、１．２５倍程度の通電の場合）でトリップ動作することになる。

すなわち、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載したブレーカの場合は、比較例の電磁引き外し装置の場合に比べ、低過電流領域での動作時間は１０％程度遅くなるものの、ほぼ同等の動作時間が得られる。

始動電流領域では、比較例となる電磁引き外し装置に比べ、本実施形態の電磁引き外し装置の場合、副磁路Ｌ２を通過する磁束の影響で、通電開始からアマチュア７のポールヘッド４側への回転運動開始までの時間が３秒程度遅延する。

一方、比較例の電磁引き外し装置を搭載したブレーカは、通電開始から３秒程度（定格電流に対し、８倍程度の通電の場合）〜７秒程度（定格電流に対し、６倍程度の通電の場合）でトリップ動作する。

よって、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載したブレーカは、通電開始から６秒程度（定格電流に対し、８倍程度の通電の場合）〜１０秒程度（定格電流に対し、６倍程度の通電の場合）でトリップ動作する。

従って、比較例の電磁引き外し装置の場合に比べ、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載したブレーカの場合は、始動電流領域での動作時間は２００％程度となり遅くなる。

短絡電流領域では、電流が非常に大きいので、電磁コイル５によって発生する磁束は非常に大きい。よって、アマチュア７の第１片７ａに作用する磁気吸引力は、非常に大きく、通電開始からアマチュア７のポールヘッド４側への回転運動開始までの時間は、第２片７ｂの有無には依存しない。従って、本実施形態の電磁引き外し装置を回路遮断器に搭載した場合、短絡電流領域では、回路遮断器の動作時間は、比較例と同等になる。

ここで、回路遮断器に、近年のトップランナーモータが接続された場合のモータの始動時について述べる。近年のトップランナーモータの始動電流は、定格電流の６倍〜８倍で、通電継続時間は通常３秒以上６秒以下である。したがって、トップランナーモータ始動時には、比較例の電磁引き外し装置を搭載したブレーカでは、誤動作する可能性がある。一方、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載したブレーカでは、上述したとおりの動作時間であるから、誤動作は生じない。

したがって、本実施形態の電磁引き外し装置を搭載することで、モータ始動電流が大きい場合の誤動作を防止することができる。

また、第２片７ｂの先端側の一部が、ポールヘッド４より後端側に位置しない構成、即ち、第２片７ｂの全部が図２に示した点線より前端側に位置する構成に比べ、本実施形態の第２片７ｂの先端側の一部が、ポールヘッド４より後端側に位置する構成である方が、副磁路Ｌ２を通過する磁束の量が多くなるので、電磁引き外し装置の動作時間の遅延効果をより高めることができる。

更に、第１片７ａと第２片７ｂとを異なる部材とし、第２片７ｂの透磁率が、第１片７ａの透磁率よりも高いものとしたり、第２片７ｂを第１片７ａより厚くすることで、副磁路Ｌ２を通過する磁束を増やすことができ、電磁引き外し装置の動作時間の遅延効果をより高めることができる。

加えて、図９に示すように第２片７ｂのシリンダ１側の先端部を、前端側に向かって折り返すことで、副磁路Ｌ２を通過する磁束を増やすことができ、電磁引き外し装置の動作時間の遅延効果をより高めることができる。

図１１に本実施形態に係る電磁引き外し装置１００を搭載した回路遮断器の構成図を示す。ハンドル５２を操作することで、接点５３は閉じ、閉路状態になる。過電流が流れると、アマチュア７がプランジャ２側に移動し、アマチュア７はラッチ５０を押す。ラッチ５０が押されることで、メカ５１は動作し、接点５３が開極する。
（結び）
以上のように、本発明における技術の例示として、実施形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

１ シリンダ
２ プランジャ
２ａ 太径部
２ｂ 突出部
３ 制動ばね
４ ポールヘッド
５ 電磁コイル
６ ヨーク
６ａ 平行片
６ｂ 直角片
７ アマチュア
７ａ 第１片
７ｂ 第２片
１１ 主電路
５０ ラッチ
５１ メカ
５２ ハンドル
５３ 接点
Ｌ１ 主磁路
Ｌ２ 副磁路
１００ 電磁引き外し装置

Claims (6)

1. 有底円筒状の非磁性材からなるシリンダと、
   磁性体からなり、前記シリンダ内部に設けられたプランジャと、
   前記プランジャを前記シリンダの底部となる後端側に向けて押す制動ばねと、
   磁性体からなり前記シリンダの前端側の開口を密閉するポールヘッドと、
   前記シリンダを巻くように設けられた電磁コイルと
   磁性体からなり、前記電磁コイルの外側に設けられ、前記シリンダの軸方向と平行に配置された平行片と、前記シリンダに向かって延びる直角片とを有するヨークと、
   磁性体からなり、前記ポールヘッド側へ回転運動できるような形で、前記ヨークに接続されているアマチュアと、を備え、
   前記アマチュアは、前記ポールヘッドの前端側の面に対向する第１片と、該第１片の前記ヨーク側の端部から後端側に折れ曲がって延びた第２片とを備え、
   前記アマチュアの第２片は、前記ポールヘッドと前記ヨークの間に設けられ、
   前記第２片の先端側の一部が、前記ポールヘッドの後端側の面より後端側に位置することを特徴とする電磁引き外し装置。
2. 前記第１片と前記第２片とが同一部材であり、一体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁引き外し装置。
3. 前記第１片と前記第２片とが異なる部材であり、前記第２片の透磁率が、前記第１片の透磁率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の電磁引き外し装置。
4. 前記第２片が、前記第１片より厚いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁引き外し装置。
5. 前記第２片の前記シリンダ側の先端部が、前端側に向かって折り返されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁引き外し装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁引き外し装置を備えた回路遮断器。