JPH06506316A - 直流真空リレー装置 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 直流真空リレー装置 本発明の背景及び設計事項 電磁石の原理に基づいて動作する電気リレー装置は、多くの電気回路関連の用途 において周知の広く用いられている部品である０本発明のリレー装置は、直流接 触器型のリレー装置である。この種のリレー装置は、通常ＤＣ２７０ボルトレン ジの電圧がかかる高電圧／高電流条件下で使用することができる。リレーをこの ような高圧で使用することに付随する主要な問題の１つは、それらのリレーが、 通常、正常動作電流２５〜１０００アンペアの「活線開閉」　（負荷時開閉、ア ーク放電を引き起こす）ｌｉ！境で使用されるということである。また、リレー は、１００〜２５００アンペアの過負荷遮断容量を有するものがあるということ 、及び５．０〜０．１ミリオームのオーダーの低い接触抵抗を維持することがで きるようになっているということも知られている。

直流接触器型のリレーは、直流信号には、通電時にリレー接点が離れることによ り生じるアークを遮断するよう作用する電流ゼロ点がないため、「活線開閉」（ ｈＯｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）ＩＫ境においては（交流信号の場合と比べて）問 題が生じ易い、接点「バウンス」または「メーク」　（ｍａｋｅ）によるアーク 放電は、パドリング（接点溶融）［ｐｕｄｄｌｉｎｇ］を引き起こし。

場合によっては接点が互いにくっついて離れない接点溶着を引き起こすこともあ る０通常、接点表面間の接続、メーク、切り離し、またはブレーク時に発生する これらのアークを消すことは困難である。

リレーのアーク放電は、下記のような現象に起因する。

接点の動作は、閉回路の「メーク」位置または開回路の［ブレークＪ位置から開 始される。これらの接点が互いに近づき始めるか、あるいは離れ始めるとき、接 点表面どうしの間隔は極めて小さい、従って、電界強度が非常に強く、電子はこ れらの接点間のギャップを横断する方向に加速される。これによって電子なだれ 効果が起こり、その結果ギャップ内で粒子がイオン化（電１１）される。

リレー接点を真空チェンバ内に保って、空気に触れないようにしても、やはりア ーク放電は発生し得る。

空気充填環境においても、排気した（真空）１！ＩＡ境中においても、連続アー ク放電は起こり、大量の熱が発生して、接点材料を溶融させることがある。この 高温のイオン化され易い材料は、接点が近づき続け、あるいは離れるとき、接点 プラズマ（プラズマ）を生じる。すると、アーク柱が生じ始める。このアーク柱 は、真空環境の場合は接点プラズマから生じ、空気充填ｆｊ！境の場合は接点プ ラズマとイオン化粒子から生じる。接点材料プラズマ及び／またはイオン化粒子 は成長して、接点間に帯電粒子の連続状飛跡を形成し、その後アークが発生する 。そのアークは、接点がくっつくか、あるいは接点が十分に離間すると、接点間 の電界強度が接点材料の電子をイオン化するほど十分高くならず、最後には消え る。

アーク放電が起こると、接点表面の材料が、実際に溶融するパドリングとして知 られた現象が発生する場合がある。パドリングは、接点材料が溶は出した接点表 面上の場所に、あるいは接点材料が粗面状に硬化したとき接点表面上にクレータ を生じさせる。さらに、パドリングは、接点を溶着させて、分離しにくくするこ ともある。

溶着（ｗｅｌｄｉｎｇ）とは、接点間の溶融した接点材料の硬化によフて微視的 に、あるいはこれより肉視的に、接点どうしが接合することをいう。アーク放電 、及びこれに伴うバドリングまたは接点の溶着は、リレー接点の劣化、絶縁破壊 に至り、最終的にはリレー故障につながるので、！１めで好ましくない。

直流接点リレーの真空中と空気中とにおける「活線開閉」の間の上記のような差 異の他、真空中におけるリレーの「活線開閉」に関しては、下記の事項をも考慮 すべきであろう、真空は、１）はるかに大きい離隔電圧絶縁能力を有するととも に、及び２）プラズマ形成が著しく少くなる。このようなプラズマ形成は、これ に対応する、空気充填チェンバ（ｃ　ｈ　ａ　ｍ　ｂ　ｅ　ｒ　）中のイオン化 粒子の形成に比べて約８桁少ない、また、真空は、リレーの使用寿命を通して接 触抵抗を増大させる汚染物質を除去し、酸化を引き起こし、接触抵抗を増大させ るイオン化粒子を除去し、危険な環境においては爆発を防ぐとともに、接触抵抗 の低さを犠牲にすることなく硬い接点材料の使用が可能となる。接点摩耗が少な くなることによって、リレー寿命が増大する。

真空または空気充填環境において、荷重をかけてリレー接点を効果的に接続しよ うとすると、接点が閉成時に「バウンス（跳ね返る）」ことがよくある、ここで 、２つの接点を互いに接続することによって電気的接続をなすことを接点メーク または「メーク」と称し、これらの接点を切り離すことまたは分離することを接 点ブレークまたは［ブレークＪと称する。

接点「ブレーク」が望ましいときには常にリレー接点を互いに完全に切り離すこ とができるように、アーク放電、パドリング及び／または接点材料の間の溶着は すべてなくすことが必要である。

本発明の直流接触器型リレーの設計においては、真空チェンバを採用するなどに より空気を排除して粒子のイオン化を最小限に抑えることにより、またイオン化 しにくい＃熱材料製の接点を用いることによって、イオン化粒子または接点プラ ズマの形成及び／または発生を少なくすることが可能である。また、接点ブレー ク時には、アークを維持するのに必要な十分な量の接点プラズマ及びまたは／イ オン化粒子がギャップ内に形成される前に接点ギャップを大きくすることができ るように、接点ギャップはす速く大きくすることが望ましい、さらに、真空中で は、開回路電圧に達するのに必要なギャップ距離が短くなるということも重要で ある。

アークを維持するのに必要な電圧を高くするために他の付加的手段を使用するこ とも望ましい、例えば、永久磁石を用いて接点間の磁場（ｌｉ！１界）を変える ことによって、アークを持続させるイオン化粒子または接点プラズマを保ちにく くすることが可能である。これによって、アークは消える。接点間の直線経路か らアークをそらす当技術分野においては屑知のアークシュートを用いてこの機能 を強化してもよい。

また、リレー設計における真空技術を用いると、接触抵抗を低く保つために従来 のように接点所面積を大きくする必要がないという点において、設計上相対立す る要素が少なくなり、リレー性能が改善される。すなわち。

単位面積当たりの接触抵抗が小さくなり、従って、リレーが小型化、軽量化され る。さらに、真空は空気よりはるかにすぐれた絶縁体であるから、真空環境中に おいては、接点ギャップを大きくする必要がない、この特徴によっても、リレー の小型化が容易になる。

また、真空リレー装置を使用すると、可動接点に対する空気抵抗がないため、よ り高速で作動するアクチュエータが得られる。さらに、空気が存在しなければ、 より効率的なアーマチュア（接極子）設計を行うことが可能である。上記の要素 によってリレー装置の小型化−・軽量化が達成される。アークは真空中では空気 中よりも１００倍も速く移動するので、真空は迅速な消弧を促進する。

この特徴も小型化に役立つ。

本発明のリレー装置は、ＤＣ２７０Ｖの電圧下で太きな電流を遮断することが可 能である。これを可能にするためには、相対立する紋針要素または特徴が関係し て来る。このような大電流を遮断するリレーは、大きい接点ギャップが必要であ り、そのためにどうしても、リレーは物理的な寸法及び重量とも大きくなりがち である。また、このようなリレーは、迅速に後退する接点が必要であり、それが 接点重量を小さくすることを必要とする。

これらのリレーによる電力消費を小さくするという面においては、接触抵抗をで きるだけ小さくすることが望ましい、それには、接点断面積を大きくする必要が あり、そのために接点の寸法及び重量が大きくなりがちであり。

その分コイルの寸法及び重量も大きくなる。また、接触抵抗をできるだけ小さく するには、大きい接触力が必要であり、やはりコイルの寸法及び重量を大きくす る必要がある。電力消費は、コイルの加熱をできるだけ少なくすることによって も小さくすることが可能である。それには、小さいアクチュエータコイルが必要 であり、コイルが小型化、軽量化される。電力消費は、パドリングを発生させる ことによってもさらに小さくすることができる。それには、接点にかかるアクチ ュエータカを大きくする必要があり、そのためにコイルの寸法及び重量が増大す る。最後に、電力消費は、より小さい部品を使用することによって小さくするこ とができ、小さい部品を使用すれば、リレー装置やそのコンゴーネントの小型化 。

軽量化が可能である。

リレーは、基本的には流れる電流によって励磁されるコイルから成る。コイルを 流れる電流は電磁界（電磁場）を生じさせ、この電磁場が、少なくとも２つの電 気導体または接点を互いに接続するようにアーマチュアを動かす、その結果、こ れらの導体によって開閉される電気回路が閉じ、所望の回路に電流が流れる。前 述のアーク放電及びこれに付随する問題が発生するのは、これらの接点または導 体の部分である。

アーク放電は、交流リレーの場合より直流リレーの方がより激しい、これは、交 流慣号が時間に対して正弦波状に周期的にかつゼロ点を通りながら変化し、それ らのゼロ点で回路更新または「ブレーク」が行われることがあるためである。ア ーク放電、パドリング及び溶着の作用は、完全にこれらをなくすことはできない かもしれないが、適切な紋針概念によって少なくすることは可能である。アーク 放電、バドリングまたは溶着に付随する問題を解消あるいは軽減する１つの方法 は、接点間の接続を所ちたいとき、あるいは分離（「ブレーク」）シたいとき、 そのブレーク動作期間中に相当大きな力を加えることである。このように力を加 えて接点ブレークを行うやり方は、当技術分野においては「衝撃ブレーク」法と して知られている１本発明は、この「衝撃ブレーク」を行なうのに、接点ブレー ク前のアーマチュアシャフトの運動を利用するものである。

「衝撃ブレーク」法を用いた直流接触ｌｌ型のリレーには、多様なものがある。

本発明で用いる方法においては。

可動アーマチュアの運動エネルギーを利用して、リレー装置の可動接点と固定接 点との間の接続を「ブレーク」するのに必要な物理的力を得る。これは、接点間 の接続を切り離し、接点間に溶着があればそれを破壊するような急激な衝撃力を 用いて達成される。

本発明は、新規でかつ改良された［直線Ｊ（Ｉ撃ブレークリレーである。コイル の励磁及びその後の磁場の発生と同時に、アーマチュアとプランジャは、リレー の固定接点へ向かうような方向（直線方向）に駆動される。駆動力は、通常、固 定子／アーマチュ°アアセンブリを結合する磁束により与えられ、それらの合方 はアーマチュアを固定子の方へ移動させ、これによってアーマチュアに取り付け られたプランジャが起動される。アーマチュアまたはプランジャは、導体または 可動接点を、導体または可動接点が１つまたは２つ以上の固定接点と接触してリ レーにより開閉される電気回路を閉じるまで、通常、アーマチュアまたはプラン ジャ自身の運動方向と同じ（直線）方向に駆動する。この接点「メーク」と同時 に。

閉回路が形成され、動作状態となる。

コイルが励磁解除されると、アーマチュアまたはプランジャは、通常、中立点か ら偏倚させたばねによって上記と反対方向に駆動され、これによってアーマチュ アまたはプランジャにより駆動される可動接点を固定接点がら離間させることに よって、接点間の接続を「ブレーク」し、電気回路を開く。

元の位置に復帰中のアーマチュアのカは、接点の「衝撃ブレーク」がアーマチュ アの運動方向とそろった直線方向の力によって行われるように、接点に向けて直 線方向に加えられる。

本発明の概要 本発明は、直線１１ブレーク」法を用いて接点ブレークを行う直流接触器型のリ レー装置を提供するものである。本発明のリレー装置は、コイルが励磁解除され た開接点位置においては、ばねエレメントを用いてアーマチュアまたはプランジ ャがこれに取り付けられた可動接点を駆動して、固定接点に接触させるのを防止 する。アーマチュアの一端部には、リレー構造のコア部のベースに配置されたプ ランジャが固着されている。キックオフばねを用いて、プランジャ及びアーマチ ュアを開接点状態に保つための偏倚力を得る。アーマチュアはシャフトから成り 、シャフトには、アーマチュアまたはプランジャアセンブリの他のすべてのコン ゴーネントが取り付けられている。コアベースと反対側のアーマチュアシャフト 端部には、アーマチュアシャフトの周りに回転可能な可動接点ディスクが取り付 けられている。可動接漉ディスクは円形で、２つの固定接点と接触して、これら の接点により開閉される電気回路を形成することができる。

アーマチュアシャフトの周りには、オーバートラベルばねが移動可能に取り付け られており、このばねは、アーマチコアシャフトの適切な位置に回転可能に取り 付けられたストップワッシャと、やはり可動接点ディスクに固定可能に結合され たディスクワンシャアセンブリとの間に配置されている。

可動接点ディスク及びこれに付属するワッシャもアーマチュアシャフトの周りに 回転可能である。ストップワンシャと可動接点ディスク／ディスクワッシャアセ ンブリとの間に配置されたオーバートラベルばねは、圧縮すると自由に回転する 。

リレーのコイルが励磁されると、コアのベース領域に配置されたプランジャは、 キックオフばねの力に抗してコアセンター内に「引っ張られ」、これによってア ーマチュアシャフトを駆動して、可動接点ディスクを固定接点と接触させる。接 点が最初に互いに接触した後においても、アーマチュア及びプランジャは、リレ ーコア領域内のコアセンター近辺の最終目標位置に達するまで固定接点の方へ移 動し続ける。従って、本発明のアーマチュア及びプランジャは可動接点ディスク より大きい駆動の場を有する。このように、アーマチュア及びプランジャが、可 動接点ディスクが固定接触子と接触した後、アーマチュアシャフトと共に移動し 続けると、オーバートラベルばねが圧縮される。さらにオーバートラベルばねを 圧縮することによって、アーマチュアシャフト及びその端部は、固定接点により 拘束された状態にある可動接点とは独立に移動し続ける。オーバートラベルばれ は、アーマチュアの移動が止まるまで圧縮され続ける。コイルの励磁解除と同時 に、アーマチュア及びプランジャはコア領域から押し出され１元の位置へ戻る。

キックオフばね及びオーバートラベルばねは、アーマチュア及びプランジャをコ アベースへ引き戻すための偏倚力を作用させる。また、オーバートラベルばねは 、十分に伸ばすことができ、これによりアーマチュアシャフトの端部を可動接点 ディスクに強い力で衝突するまで可動接点ディスクの方へ引っ張って、十分な「 ｇＩ撃ジブレーク力を与え、接点の接続をブレークするとともに、接点間に溶着 がある場合はそれらの溶着を破壊する。

本発明のリレーは、真空チェンバ内に収容されるとともに、さらに、先端部に、 可動接点ディスクとぴったり合わさる。あるいはぴったり接続されるよう設計さ れた平坦な部分を有する球面状の固定接点を用いることによって、アーク放電、 パドリング及び溶着を少なくするのに役立ついくつかの特徴を有する。可動接点 ディスクの直径は、固定接点の球面の性質と共に、両者間のわずかな間隔で対向 する部分の所面積ができるだけ小さくなるような特定の直径が選ばれ、これによ ってもアーク放電をさらに減少させ、プラズマ圧力を散失させることができる。

可動接点ディスクは、固定接点との接触点を平坦にすべきである。さらに、固定 接点は、溶融やパドリングに対する耐性を有する、より高強度の金属で形成され る。固定接点の内側には、プラズマ及び／またはイオン化粒子の形成を阻止し、 アーク放電を消すために、永久磁石が設けられる。

前述したように、アーク放電、パドリング、及び溶着は、接点の「メーク」及び 「ブレーク」に依存するリレーにおいては、一般に起こりがちな現象である。こ のような現象は、可動接点ディスクにクレータを生じさせ、これが同じ部分に経 時的に繰り返されると、ディスクの劣化につながり、あるいはディスクの完全な バーンスルー、すなわちディスクに焼損による貫通孔が生じる欠陥に至ることが ある。

本発明は、アーク放電が可動接点ディスク表面上の異なる位置で発生し、ディス ク表面の同じ場所で何回も繰り返されることがないように可動接点ディスクを回 転させることによって、このクレータ形成の問題を著しく１滅したものである。

そのために９本発明においては、圧縮と同時に回転させられるオーバートラベル ばねの回転によって回転する可動接点ディスクが設けられる。このような回転は 、一様でなく、不規則であるかも知れないが、その約合的効果としては、経時的 にディスクを回転させて、アーク放電や溶着によって生じるクレータを可動接点 ディスクの表面に沿って均等に分布させる。

さらに、本発明のリレーは、アーマチュアアセンブリを含むすべての可動部を真 空環境中に置く、この非常に重要な特徴は、直＃＆衝撃ブレークリレーのすべて の可動部を真空中に置くものであり、真空外の可動部と真空中の可動部とを相互 に接続する従来技術のベローズのような結合の弱い境界部品の使用を回避するこ とができる。

従って１本発明の目的は、電気回路に対して接点を開閉するための直線［ｌＩ撃 ジブレーク式直流接触器型リレーにおいて、逐次起動の都度回転する可動接点デ ィスクを用い、可動接点ディスク上で発生するアーク放電、クレータ形成、また は溶融のような現象の致命的作用を均等に分布させるようにしたリレーを提供す ることにある。

本発明のもう一つの目的は、アーク放電の作用及びその影響を排除または軽減す るよう、その接点の設計に関して最適の設計幾何学及び特性を用いた直線「衝撃 ブレーク」式直流接触器型リレーを提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、固定接点の内側に永久磁石を設けて、アーク放電の 発生をψなくするようにした直線「衝撃ブレーク」式直流接触器型リレー装置を 提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、すべての可動部を真空中に置いた直線「衝撃ブレー ク３式直流接触器型リレー装置を提供することにある。

本発明のこれらの及び他の目的及び利点は以下の図面との関連で示される以下の 本発明の好適な実施態様の説明により明らかになるであろう。

好適な実Ｉ！ｉ態様の詳細な説明 図１は１本発明のリレー装置の側面図及び上面図を示す、Ｏｌｌに全体を符号１ によって示すリレー装置は、ベース領域またはコアアセンブリ２、及び以下に説 明するリレーの他の構成部分を収容するガラスまたはセラミック構造３よりなる 。

本発明のリレー１は、排気することによって構造３内部が真空チェンバ１６を形 成する。コアアセンブリ２は。

さらに、コアセンター４．コアベース上部５．コア外壁６及びコアベース底部７ よりなり、これらはすべて強磁性物質で形成されてする。

ベースのコアセンター４の周りには、コアセンター４、コアベース上部５、コア 外壁６及びコアベース底部７によって形成される中空キャビティ４０中にコイル ２６が巻装されている。コイル２６は、好ましくは、１２〜１８ワツトの電力容 量を有する。コアセンター４内には。

中空円筒状のアーマチュア移動キャビティ１３が軸方向に形成されており、これ を貫通してアーマチュアアセンブリ８が設けられている。アーマチュアアセンブ リ８は。

アーマチュア移動キャビティ１３を貫通して真空チェンバ（ｖａｃｕｕｍ　ｃｈ ａｍｂｅｒ）１６内部に延びるアーマチュアシャフト（ａｒｍａｔｕｒｅ　５ｈ ａｆｔ）１０を有する。アーマチュアシャフト１０の一端部には、プランジャ９ が固着されている。アーマチュアシャフト１０のプランジャ９の反対側の端部に は、アーマチュアシャフト１０の直径より大きい直径を有する端部部材１１が固 定されている。

プランジャ９とコアセンター４の間にはギャップ１２が般けられている。ギャッ プ１２は、以下に説明するように、プランジャ９がリレー１の起動時に動くため のスペースになっている。アーマチュアシャフト１０は、アーマチュア移動キャ ビティ１３内を移動する。アーマチュア移動キャビティ１３内には、コイルばね よりなるキックオフばね１４が設けられ、プランジャ９側のその端部はクリップ １５によってアーマチュアシャフト１０に固定されている。キックオフばね１４ のもう一方の端部は１図２に示すように、アーマチュア移動キャビティ１３の内 部においてブッシング１７によりベースのコアセンター４に固定されている。ア ーマチュアシャフト１０の周りには、オーバートラベルばね１８が設けられ、ば ね１８は、図２に示す位置にクリップ１９Ａによフてアーマチュアシャフト１０ に回転可能に永久取り付けされたストップワッシャ１９と可動接点ディスクワッ シャ２０の間に配置されている。オーバートラベルのばね１８もコイルばねであ る。ストップワッシャ１９及び可動接点ディスクワッシャ２０は、アーマチュア シャフト１０の周りに自由に回転可能である。可動接点ディスク２１及びそのワ タシャ２０は、どちらもアーマチュアシャフト１０の周りに自由に回転可能であ り、自由に動くことができる。さらに、可動接点ディスク２１及びそのワッシャ ２０は、アーマチュアシャフト１０に沿って端部部材１１とストップワッシャ１ ９との間を移動可能であり。

この運動はオーバートラベルばね１８によってのみ規制される。ストップワッシ ャ１９及び可動接点ディスクワッシャ２０は、どちらも、アーマチュアシャフト １０の周りに回転することができるように上記シャフト１０に緩く嵌合されてい る。オーバートラベルばね１８は、遊動自在であり、ストップワッシャ１９及び 可動接点ディスクワッシャ２０のどちらにも永久取り付けされていない。従って 、以下に説明するように、オーバートラベルばね１８は、圧縮されるとき、アー マチュアシャフト１０の周りに自由に回転することができる。さらに、ある瞬間 、上述の構造に生じる固有の摩擦に応じて、オーツく一トラベルばね１８は、可 動接点ディスクワッシャ２０及び可動接点ディスク２１またはストップワッシャ １９を回翫させる。

図２に示すチェンバ１６の上端Ｓ（図の左側）には、固定接点２２が配置されて おり、この固定接点は中空円筒状をなして、その内部には永久磁石３０が設け− られている。以下に説明するように、固定接点２２及び可動接点ディスク２１は 、アーク放電を減ψさせるとともに。

プラズマ圧力及びこれらに伴うバドリングや溶着のような効果を減少するために 特別に採用された特殊な設計になっている、固定接点２２の内部に置かれる永久 磁石３０は、好ましくは、円筒形の小さい希土類型の磁石を用いる。

本発明のリレー装置においては、真空チェンバ１６内部の可動部はもとより、プ ランジャ９、アーマチュアシャフト１０．初期状態においてプランジャ９とコア センター４との間に存在するギャップ１２、アーマチュア移動キャビティ１３、 キックオフばね１４、クリップ１５、及びブッシング１７を含むアーマチュアア センブリ８はすべて真空中に置かれている。この非常に重要な特徴によれば、直 線衝撃ブレークリレーのすべての可動部を真空中に置くことができ、真空外の可 動部と真空中の可動部とを相互に接続する従来技術のベローズのような結合の弱 い境界部品の使用を回避することができる。

前述したように、図２は、可動接点２１が固定接点２２と接触していない開成回 路または接点ブレーク状態を示す、したがって、開回路状態が存在する。

ここでは、リレー装置」の動作を図２及至７を参照しつつ説明する８図２におい て、コイル２６が通電によって励磁されると、矢印５０で示す方向の磁場２７が 形成される。ｍ場２７は、プランジャ９にキックオフばね１４の偏倚力に打ち勝 ってギャップ１２を閉じさせる方向に作用し、上記プランジャ９をコアセンター ４の方へ移動させ始める。プランジャ９がこのように移動すると、キックオフば ね１４は、一端部がアーマチュアシャフト１０に結合され、他端部がブッシング １７に結合されているため、圧縮される。従って、アーマチュアシャフト１０は 、これに固着されたプランジャ９によって駆動されて、さらに真空チェンバ１６ 内へ移動する。アーマチュアシャフト１０の移動は、可動接点ディスク２１が、 図３に示すように、固定接点２２に接触する（接点「メークＪ）ＩＩにも続けら れる。その後、プランジャ９及びアーマチュアシャフト１０は、最初にプランジ ャ９とコアセンター４との間にあったギャップ１２が完全に閉じられるまで固定 接点２２の方へ移動し続ける。このプランジャ９／アーマチユアシヤフト１０の 移動が続く間、可動接点ディスク２１は固定接点２２に接触した状態に保たれる 。従って、オーバートラベルばね１８は、アーマチュアシャフト１０が移動し続 ける間、ストップワッシャ１９と可動接点ディスクワシシャ２０との間で圧縮さ れて、接点間の接触を維持する一方、固定接点２２及び可動接点ディスク２１に 対する損傷を防止する。オーバートラベルばね１８が圧縮され続けると、アーマ チュアシャフト１０の端部に取り付けられた端部部材１１は可動接点ディスク２ １から離れて図３に示すように、固定接点２２の間の真空チェンバ１６の開放空 間中に伸び入る。プランジャ９が、図４に示すように、コアセンター４との間の ギャップ１２を完全に閉じると、キックオフばね１４及びオーバートラベルばね １８は圧縮される。

それゆえに、コイル２６が励磁されると、上に述べたように、キックオフばね１ ４及びオーバートラベルばね１８を圧縮して接点「メーク」状態を達成するのに 十分な大きさの電磁力が発生する。

次に１図５及至７を参照して１本発明のリレー装置の動作を、接点切り離し、ま たは接点「ブレーク」を行う場合について説明する。コイル２６が励磁解除され ると。

図５に示すように、磁束基２７が衰微し、プランジャ９に作用する磁場がなくな る。ａ東場２７が存在しないと。

プランジャ９及びアーマチュアシャフト１０は、キックオフばね１４及びオーバ ートラベルばね１８の偏倚力に屈して、図示のように、上記と反対の方向、すな わち真空チェンバ１６及び固定接点２２から遠ざかる方向に移動し始める。従っ て、プランジャ９は、コアセンター４から離れる方向に移動し、これによってプ ランジャ９とコアセンター４との間にギャップ１２が再び形成される。

その結果、キックオフばね１４が急速に伸びることによって、アーマチュアシャ フトＩＯ及びプランジャ９を上記方向に押しやる。このようにアーマチュアシャ フト１０が移動し続けるとき、オーバートラベルばね１８は、急速に伸びて、ア ーマチュアシャフト１０の端部に取り付けられた端部部材］−１を可動接点ディ スク２１に向けて十分な力で引き寄せ１強制的にこれに接触させる。可動接点デ ィスク２１に対するアーマチュアシャフト１０の相対運動によって、端部部材１ １は可動接点ディスク２１に強い力で強制的に衝突させられ、これによって図６ に示すようなディスク２１と固定接点２２と接触が「ブレーク」される。この動 作は、これらの接点を切り離すとともに、接点間に溶着があれば、破壊する。こ のように、可動接点ディスク２１への端部部材１１の衝突は、アーマチュアシャ フト１０の移動方向と同じ直線方向の「衝撃ブレーク」効果を生じさせる。アー マチュアシャフト１０及びプランジャ９は２図７に示すように、プランジャ９が リレーのコアアセンブリ２中の移動端に達して、リレー装置１がその開接点位置 となるまで移動し続ける。

前に説明したように、アーク放電、パドリング及び溶着は、本発明の直流接触器 型リレーのような直流リレーにおいては大きな問題である。上に述べたように、 可動接点ディスク２１及び固定接点２２は１本発明のリレーがほとんど常にその 中で用いられることが多い［活線開閉」環境中でｒメーク」または「ブレーク」 されると、パドリングや溶着のＩＮ因となるアーク放電が発生する。

その結果、接点、特に可動接点ディスク２１の表面にクレータが生じることがあ る。これらのクレータは、電気的接続（接点ｒメーク」）を不十分にし、可動接 点ディスク２１の同じ部分で何度も発生するままにしておくと、接点劣化につな がり、あるいは全面的な接点バーンスルーにより可動接点ディスク２１に穴が生 じることもある。

本発明は、可動接点ディスク２１の表面の同じ部分がいつも固定接点２２に接触 するのを効果的に防止するようにアーマチュアシャフト１０の周りに回転する可 動接点ディスク２１を設けることによって、アーク放電、パドリング及び溶着の 効果を減少しようとするものである。

そのような４１１成のための好ましい実施態様について、以下説明する。

可動接点ディスク２１の表面上のクレータ形成については１図８に示されている ０本発明の好適な実施態様において、可動接点ディスク２１の直径は、好ましく は１゜１２５インチである。固定接点２２の接触面を好ましくは、０．０７５イ ンチとすると（この値の選択については以下により詳細に説明する）、可動接点 ディスク２１の中心の周りに直径１．０００インチとなるように設計により選択 された円周方向に対称状の部分に沿って、可動接点ディスク２１の表面上に０． ０５０及至０．１００インチの範囲のｉ１！怪を有するクレータが形成される。

後述するように、固定接点２２の表面は、好ましくは互いに１．０００インチ離 間させる。これらのクレータは、本発明の可動接点ディスク２１を用いることに よって、同し点に繰り返し発生するのを防ぐことができ、これによって「メーク 」に電気的接触が不十分になったり、より重大な場合には完全な接点バーンスル ーに至ったりするのを防止することが可能である。これらのクレータは、可動接 点ディスク２１が１回転する間に互いに重なることもある。可動接点ディスク２ １の直径が１．１２５インチで、クレータ円の直径がｉ、ｏｏｏインチの場合、 クレータ円の円周は約３．０００インチである。その結果、可動接点ディスク２ １の接触面上には、多少なりとも互いに重なる４０もの完全なりレータが形成さ れ得る。

アーク放電は、回転する可動接点ディスク２１を用いることによって、可動接点 ディスク２１上の同じ点では発生しなくなり、従って、可動接点ディスク２１の 使用寿命をより長くすることが達成できる。

次に１図９を参照しつつ可動接点ディスク２１を回転させる機構につりでさらに 詳細に説明する。図９には、アーマチュアシャフト１０、及びその可動接点ディ スク２１に近い側の端部に固着された端部部材１１が示されている。可動接点デ ィスクワッシャ２０は、可動接点ディスク２１に接しているが、これに固定され ていない。

ストップワッシャ１９も、アーマチュアシャフト１０の所定位置に取り付けられ ており、シャフト１０の周りに自由に回転可能である。オーバートラベルばね１ ８は、図９に示すように、アーマチュアシャフト１０の周りに、そしてストップ ワッシャ１９と可動接点ディスクワッシャ２０との間に配置されている。上に述 べたように、可動接点ディスク２１及び可動接点ディスクワッシャ２０は互いに 固定されており、どちらもアーマチュアシャツ）１０に沿って自由に移動可能で あり、かつシャフト１０の周りに自由に回転可能である。ストップワッシャ１９ は、クリップ１９Ａによってアーマチュアシャフト１０の所定位置に取り付けら れ、やはリアーマチュアシャフト１０の周りに自由に回転可能である。オーバー トラベルばね１８は、遊動自在のコイルばねであり、ストップワッシャ１９にも 可動接点ディスクワッシャ２０にも全く結合されていない。従って、オーバート ラベルばね１８は、２つのワッシャ】９と２０の間でアーマチュアシャフト１０ の周りに自由に回転することができる。

オーバートラベルばね１８として用いたようなコイルばねは、ばね自体が圧縮さ れるにつれて、端部が回転する性質がある。このばね回転の現象は図１０中の力 の作用図を用いて説明することができる。図１０には、オーバートラベルばね１ ８の上端の部分が示されている。ここで、可動接点ディスク２１から加えられる 下向きの力Ｆは、オーバートラベルばね１８の上端に一様に加えられる。可動接 点ディスク２１からのこの力Ｆは、ばね１８を強制的に圧縮する。このようにば ねを圧縮する際、オーバートラベルばね１８の端＠３８に近いコイル部分４０は 、図１０にｆ方向の矢印で示すように、コイル部分４０の方向の力ｆを生じる。

図１０中の力の作用図に示すように、オーバートラベルばね】８上の力ｆは、＠ 直なｆｙ酸成分水平なｆｘ酸成分分解される。その結果、オーバートラベルばね １８のコイル部分４０及び、ひいては、オーバートラベルばね１８自体に水平力 ｆｘが作用し、この水平力が、オーバートラベルばね１８が圧縮されるたびに、 オーバートラベルばね１８をアーマチュアシャフト１０の周りに回転させようと する。

図９の実施例においては、可動接点ディスク２１と付随のディスクワッシャ２０ 及びストップワッシャ１９は。

すべてアーマチュアシャフト１０の周りにどちらの向きにも回転することができ る。従って、このばねは、圧縮されるたびに水平方向に回転することができ、可 動接点ディスクワッシャ２０を介して可動接点ディスク２１を回転させるか、ま たはストップワッシャ１９を回転させる。ワッシャ１９または２０のどちらがオ ーバートラベルばね１８によって回転させられるかは、各圧縮時の摩擦の性質及 び発生の様子によって決まる。オーバートラベルばね１８が可動接点ディスクワ ッシャ２０を回転させると、可動接点ディスク２】−が回転する。これに対して 、ストップワッシャ１９が回転すると、可動接点ディスク２１は回転しないこと がある。

ワッシャ１９または２０のどちらがオーバートラベルばね１８によって回転させ られるかは不確定であるから、可動接点ディスク２１の回転は、一様でもなけれ ば、安定したものでもなく、オーバートラベルばね１８の回転が不安定なために 、むしろ不規則である。オーバートラベルばね１８の回転は常にディスクワッシ ャ２０に作用を及ぼす訳ではなく、ストップワッシャ１９に対しても作用すると いうこと、またアーマチュアシャフト１０自動接点ディスク２１の回転に影響を 及ぼすと思われる。

また、ディスクの不規則な回転は、ワッシャ２０及び１９が各々の位置でスリッ プすることや、アーマチュアシャフト１０が両方向に回転することが可能である こと。

さらには、これにワッシャのスリップの効果が加わる場合もあることなどの結果 として生じる。

このような可動接点ディスク２１の回転は、不規則で、一様ではないが、経時的 に平均化すると有用な回転となる。ばね圧縮５００〜５０００回またはサイクル 毎に可動接点ディスク２１を１回転させることができるということが確認されて いる。

また、ばれ圧縮的５０，０００回または５０，０００サイクル後に、可動接点デ ィスク２１の回転は、それ自体が平均化されて、可動接点ディスク２１の表面上 に形成されるクレータリングは、可動接点ディスク２１の接触面部全体にわたっ て均等に分布するようになるということも確認されている。その結果、より良好 な電気的接触が確保されるとともに、リレーの寿命を伸ばすことができる。

回転する可動接点ディスク２１を利用することに加えて、本発明のリレー１は、 さらにアーク放電を減少させ、プラズマ圧力及びそれらの劣化作用を減少する設 計面の改良を利用するものである。これらの設計面の改良としては、固定接点２ ２として先端部に平坦な部分を有する球形シェル状のａＳが形成された導体を使 用すること。

接点表面の溶融が少なく、従ってプラズマ生成を少なくすることができるタング ステンまたはモリブデンのような硬質の金属で形成された固定接点２２を用いる こと、わずかな距離だけしか離間していない接点表面部分を小さくするような長 さ及び形状を有する可動接点ディスク２１を用ＩＬすること、固定接点と可動接 点の間に生じ得るアーク柱を消弧するために、固定接点２２の内部に設けた永久 磁石３０を利用すること、がある。

図１１は、固定接点２２及び可動接点ディスク２１の好適な構造を側方から見た 因である。これらの接点は。

リレー１の真空チェンバ１６内における開接点状態または接点「ブレーク」状態 として示されている。固定接点２２は、端部の形状を好ましくは球形とし、好適 な実施態様の場合、直径が０．４２０インチ、端部の半径Ｒが０．２１０インチ となるように設計される。固定接点２２は、ｆｕｌｌに示すように、先端部の平 坦な部分Ａで可動接点ディスク２１と接触する。固定接点２２の先端部の接触位 置に平坦部分Ａを設けるとともに、この部分における可動接点ディスク２１の表 面を平坦にすることによって、平坦な表面接触部を確保することが１きる。その 結果、「メーク１時の接点接続を改善することができ、従って、「メーク」及び 「ブレーク」時に発生するアーク放電をより小さくすることができる。固定接点 ２２の先端部の平ｋＩＩＩＩｊ分Ａは、直径０．０５０インチ以上、０゜１００ インチ以下とすべきである。この実施例の場合。

先端部の平坦部分Ａは、直径０．０７５インチとすることが好ましい、それは１ 表面接触部の面積が小さ過ぎると、接点は電気的接続操作を正しく行うことがで きないことがあるということに留意すべきであろう、しかしながら、接触面が大 き過ぎると、固定接点２２と可動接点ディスク２１の幾何学的特徴が２枚の平ら なプレートの特徴と極めて近似し、そのために、接点間により多くのアーク放電 が発生し易く、消弧しにくくなる場合がある。

２つの固定接点２２の先端部の平坦部分Ａの中心は、互いに１．０００インチ離 間させることが好ましい、このことは、可動接点ディスク２１上には、直径１． ０００インチの円形状にクレータが生じる理由の説明ともなる。前に述べたよう に１本発明においては、真空チェンバ１６を用いるにもかかわらず、接点２１と ２２の間の「活Ｍ開閉Ｊから接点プラズマが生じる。接触面積をより大きくする ことによって、接点間のギャップ中にはより多くのプラズマを形成することがで き、このようなプラズマは、これより生じるアーク放電、バドリング及び溶着か ら前述のような損傷が発生する前に消散させることがより困難になる。従って、 可能な限り（すなわち十分な大きさの接触面を確保しつつ）接点間でわずかな距 離だけしか離間していない対向する接点表面部分の面積を小さくして、「活線開 閉」時のプラズマ及びプラズマ圧力の消散を可能にすることが好ましい。

可能接点２２の球形端部の半径Ｒは、最大のプラズマ消散効果が得られるように 、可能接点２２の全半径とすべきである。この端部の半径より小さい半径（すな わち、本発明以外の場合は、ｊ１！形または円筒形の固定接点の角隅部をわずか に丸める）では、平坦な可動接点ディスク２１と平行な平端面部が過大になり、 一方、端部の半径をより小さくすると、固定接点の端部は１曲率がほんのわずか な場合もあるので、平坦なプレート接点に近くなる。

接点２１と２２のわずかな距離しか離間していない対向部分の面積を小さくする ためには、可動接点ディスク２１について、やはり図１１に示すような特別な設 計上の考慮が払われている０図示のように、可動接点ディスク２１は、０．０５ ０インチの厚さで、かつ新面端部の半径ｒが０．０２５インチであり、これによ っても対向状の平坦な接点表面が最小限になる。

可動接点ディスク２１が可能接点２２の先端部の平坦部分Ａと重なり合う距離も 重要である。１ｉｉｌ１２において、可動接点ディスク２１の平坦な表面と固定 接点２２の先端部の平坦部分Ａとが重なる距＠Ｘは、図１２Ａに示すように、可 動接点が平坦部分Ａとかろうじて最ｐＪ１ｗＩに重なる状態と、ＴｌＡｌ　２Ｂ に示すように、可動接点の一全厚部分の端部からちょうど平坦部分Ａの長さの部 分が重なる状態との間の距離でなければならない。

図１２Ａの構造は、適切な場合もあるが、可動接点ディスク２１の全直径厚さ部 分の端部からちょうど固定接点２２の端部の平坦部分Ａの長さに等しい部分が平 坦部分Ａと重なる図１２Ｃの構造で得られるような最適の結果は得られない０図 １２Ａの構造では図１２Ｇの構造と同様の最適結果を得ることができない理由は 、図１２Ａの場合は、固定接点２２の端部の平坦部分Ａが可動接点ディスク２１ の表面と完全には接触しないからである。

むしろ、アーク放電やこれに付随する作用を誘起するようなギャップまたは空間 が形成される１図１２Ｂの構造は、可動接点ディスク２１の過大な部分が固定接 点２２の端部の平坦部分Ａを越えて外側に延びているので、最適ではない、この 図１２Ｂの構造は、固定接点と可動接点の表面が互いに接触していないこれらの 接点間の図の右側の空間でアーク放電が起こり、プラズマ消散効果はより低くな る。

本発明においてアーク放電及び溶着をさらに減少させるためには、固定接点２２ を、硬質金属であり、従って「活線開閉」時にバドリングや溶融を起こしにくい タングステンやモリブデンのような金属で形成することが好ましい、こうするこ とによって、プラズマ生成が少なくなり、従って、アーク放電も減少する。

次に、図１３Ａに示す固定接点２２及び可動接点ディスク２１によって、本発明 のもう一つの特徴を説明する。

リレー設計の技術分野にお（１て周知のように、リレー接点にある程度近接させ て永久磁石を配置すると、接点の周囲の環境が乱されるため、アーク放電を消し 、従つて、その劣化作用を減少するのに役立つ１本発明におけるこれらの磁石は 、大きい単位容積電界強度を発生する希土類型のできるだけ小形の磁石とするこ とが望ましい。

本発明において、磁石は、アーク崩壊用の強い磁束がアーク放電が発生する場所 のすぐ近くに生じるように、円筒状の固定接点２２の中に配置される。また、永 久磁石３０は、完全に固定接点２２の内部に置くことによって、アーク放電によ る損傷から十分保護することができる。

図１３Ａには、固定接点２２の中の永久磁石３０の配置が示されている。永久磁 石３０は、その磁極の１つが固定接点２２の端部の平坦部分Ａの近傍に来るよう に垂直方向に配向されている。永久磁石３０を適切に配置すると、磁石の周辺に 磁場が発生し、さらに接点２１と２２との間の領域中に延びる１発生する磁力線 はなるべく可動接点ディスク２１に平行、従って、起こり得るアークに対して垂 直であることが最適であるが、そのような設計では５図１３Ｂに示すように、永 久磁石３０内で固定接点２２を水平配置することが必要になる。しかしながら、 この配置は、固定接点２２内の磁石の取り付は場所が、磁石３０を１図１３Ｂに 示すように、水平に配置することができなければ、物理的に不可能な場合もある 。

磁石３０を図１３Ａに示すように適切に配置すると、すべての磁力線が可動接点 ディスク２１に平行、あるいは潜在的アークに対して垂直にならなくとも、アー ク放電をある程度消すことが可能である。ここで最も重要なのは、リレーの物理 的寸法及び用いる永久磁石３ｏの特性に応して磁石３ｏを図１３Ａに示すように 配置すると、可動接点ディスク２１と平行で、潜在的アーク放電に対して垂直な 十分な磁束が得られない場合、アーク放電が強められる場合もあるということで ある。従って１図１３Ａの設計は、それほど好ましくはないが、いくつかの場合 には用途があるため５本願の一部として組み入れである。

上に述べたように１図１３Ｂには、固定接点２２内の永久磁石３０を最高度に利 用する実施態様が示されてし）る０図１３Ｂにおいては、磁石３０は、その磁極 の両方共が固定接点２２の最も近い側壁に近接して置かれるよう、水平方向に配 置されている。この構成においては、より多くの磁束線が可動接点ディスク２１ と平行になり、従って、潜在的なアークに対して垂直に通る。そのため、図１３ Ｂの＊戊における潜在的なアーク放電は、いフそう効果的に消弧される。従って 、物理的寸法上の制約が許すならば、図１３Ｂの構成が望ましい。

以上、本発明をその好適な実施態様により詳細に説明したが、上記の説明は、単 に本発明の例示説明のためのちのであり、本発明に対し何ら！１１１Ｉ的な意味 を有するものではないということは理解できよう、従って、本発明は、本発明に より教示される原理の範囲及び精神に包括されるあらゆる修正、変更あるいは変 形を含むものとする。

図面の簡単な説明 図１は、開接点位置における本発明のリレー装置の側面図及び上面図である。

図２は、リレーコイルの励磁直前の開接点位置における本発明のリレーの詳細な 側面図である。

図３は、アーマチュアが最終的にコアセンターに休止する前の初期接点メーク状 態（中間接触状態）における本発明のリレーを示す。

図４は、最終接点「メーク」位置、すなわち閉接点位置における本発明のリレー を示す。

図５及至７は、接点ブレークを行う際に、コイルの励磁解除に続いて本発明のリ レー装置に逐次起こる一連の状態を示す。

上面図で、アーク放電及びその影響によって生じるクレータがディスク表面に円 形状に示されている。

図９は、オーバートラベルばねが可動接点ディスクを口重させる機構を示す。

図１０は、オーバートラベルばねを圧縮する際これに作用する分力を示す説明図 である。

図１１は、アーク放電を減少させるための固定接点及び可動接点の最適設計及び 形状を示すための幾何学的設計のＩ１面図である。

図１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｇは、可動接点ディスクと固定接点との間の接点接続 を行うのに可能な代替般社をそれぞれ示す。

図１３Ａ及び１３Ｂは、固定接点の内部キャビティに設けた永久磁石を使用して 固定接点と可動接点ディスクとの間に発生するアーク放電を消し、あるいは最小 にする作用をそれぞれ示す。

ＦＩＧ、　１２Ａ ＦＩＧ、　１２８ ＦＩＧ、　１２０ 国際調査報告 フロントベージの続き （７２）発明者　キューティン、リチアド、エルアメリカ合衆国キャリフォーニ ア州キャマリロ、ウエンデル・ストリート　２９２４１１（７２）発明者　マッ ク、パトリック、エイアメリカ合衆国キャリフォーニア用カーピンチリア、ダー リア・コート・＃４７　１３００番

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．真空チェンバと、真空チェンバ中に延び、端部部材を有する可動アーマチュ アシャフトを備え、電磁気的に駆動されるアーマチュアアセンブリと、前記真空 チェンバ内設けられ、前記アーマチュアシャフトの端部部材の近傍に接続された 可動接点手段と、前記真空チェンバ内に前記可動接点手段によって架橋されるよ うに取り付けられた固定接点と、前記可動接点手段によって前記固定接点がメー クされるときに前記可動接点手段の移動が停止した後、前記アーマチュアシャフ トの前記端部部材を前記可動接点手段以遠に移動し続けさせる手段と、前記アー マチュアシャフト及びその端部部材を前記固定接点をブレークする前に休止状態 から加速した後、ブレークのときに前記可動接点手段を前記固定接点から遠ざか る方向に駆動するための衝撃ブレーク手段と、複数のメーク動作の間に前記可動 接点手段と前記固定接点との間の接触位置を変えるための手段とを包含する直流 真空リレー。
2. ２．可動接点手段が、メーク時に固定接点を架橋するとともに、アーマチュアシ ャフトを貫通させるための開口部を有するディスクよりなる請求項１記載の直流 真空リレー。
3. ３．衝撃ブレーク手段が、ばねによって弾力的にアーマチュアシャフトに取り付 けられ、可動接点手段による固定接点メーク後のばねの圧縮と同時にアーマチュ アシャフト及びその端部部材を可動接点手段以遠に延ばすための手段を有する上 記可動接点手段よりなる請求項１記載の直流真空リレー。
4. ４．上記ばねが、アーマチュアシャフトの周りに嵌めこまれ、かつ可動接点手段 とアーマチュアシャフトに取り付けられたストップ部材との間に遊動状に拘束さ れている請求項３記載の直流真空リレー。
5. ５．可動接点手段が、アーマチュアシャフトの軸線の回りに回転可能なディスク からなり、上記ばねが、複数のメーク動作時に可動接点手段と固定接点の間の接 触位置を変えるために固定接点の関閉時に回転させるための手段を与える請求項 ４記載の直流真空リレー。
6. ６．固定接点が、可動接点手段に対向する先端部に平坦部分を有する半球形の端 部を持つ円筒よりなる請求項１記載の直流真空リレー。
7. ７．可動接点手段が、直径が固定接点の円筒の外側境界以遠に及ばないディスク よりなり、上記ディスクの外周縁に円みを付した請求項６記載の直流真空リレー 。
8. ８．可動接点手段が、直径が固定接点の先端部の平坦部分以遠に及ぶが、固定接 点の円筒の外側境界以遠には及ばないディスクよりなる請求項６記載の直流真空 リレー。
9. ９．永久磁石が、各固定接点の内部に収容されている請求項１記載の直流真空リ レー。
10. １０．各永久磁石の磁極が、開閉時にアーク放電が発生し得る固定接点と可動接 点の間の領域に対して直角に大部分の磁力線が通るように配置されている請求項 ９記載の直流真空リレー。
11. １１．固定接点が、基本的にタングステン及びモリブデンから成る群の中から選 択される請求項１記載の直流真空リレー。
12. １２．アーマチュアアセンブリのすべての可動部が真空下にある請求項１記載の 直流真空リレー。