JP5418715B1

JP5418715B1 - 開閉器

Info

Publication number: JP5418715B1
Application number: JP2013157916A
Authority: JP
Inventors: 徳男安東
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-07-30
Also published as: US8916790B1; JP2015028867A; MX2014003038A; MX343171B

Abstract

【課題】コンパクトなサイズでありながら優れた性能を発揮できる開閉器を提供する。
【解決手段】本発明の開閉器の一態様は、真空容器と、固定接点をなす一方の端部が真空容器内に配置されている固定電極と、可動接点をなす一方の端部が真空容器内に配置されている可動電極と、通電状態と開極状態とを切り替えるリンク機構と、可動接点が固定接点に押し付けられる方向の力を可動電極に伝える接圧用バネと、可動接点が固定接点から離れる方向の力を可動電極に伝える遮断用バネとを備え、接圧用バネと遮断用バネは可動電極の移動方向において少なくとも一部が重なるように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は開閉器に関する。

開閉器は電力回路を開閉するための機器である。開閉器は二つの接点を備え、これらが接している状態で通電が可能であり、他方、これらが引き離されると電力回路は遮断された状態となる。二つの接点を引き離すことによって通電状態から遮断状態に切り替えるとき、接点間においてアーク（火花）が発生しやすい。アークは真空中では持続しにくいことから、二つの接点を真空容器に収容した開閉装置又は遮断器が知られている（特許文献１，２参照）。

特開２００４−３４２３５９号公報特開平０７−２９６６８７号公報

ところで、例えば変電所からユーザーに電気を供給する配電システムにおいて短絡が発生すると、５０００アンペアを超える電流が開閉器を流れる場合がある。この場合、電流によって二つの接点間に反発力が生じる。一方の接点に他方の接点を押し付ける力が不十分であると、二つの接点の接触状態が反発力によって意図しないタイミングで解除されるおそれがある。従来の開閉器は、コンパクトなサイズを維持しながら、接点間の押し付け力を十分に大きくすることは困難であった。これは大きな押し付け力によって開閉器の部材（例えば電極及びロッド）にたわみが生じやすいため、全体を大型化して開閉器の剛性を高める必要があるからである。

本発明は、コンパクトなサイズでありながら優れた性能を有する開閉器を提供することを目的とする。

本発明に係る開閉器は、内部を減圧状態に維持可能な真空容器と、固定接点をなす一方の端部が真空容器内に配置されている固定電極と、可動接点をなす一方の端部が真空容器内であって固定接点に対向する位置に配置されている可動電極と、固定電極と可動電極との接続と固定電極からの可動電極の切断とを切り替えるリンク機構と、可動接点が固定接点に押し付けられる方向の力を可動電極に伝える接圧用バネと、可動接点が固定接点から離れる方向の力を可動電極に伝える遮断用バネとを備え、接圧用バネと遮断用バネは可動電極の移動方向において少なくとも一部が重なるように配置されている。

本発明の開閉器は、コンパクトなサイズでありながら優れた性能を有する。

本発明に係る開閉器の一実施形態を模式的に示す断面図である。図１に示す開閉器の一部を拡大して示す断面図である。図１に示す開閉器の動作を示す断面図であって、（ａ）は二つの接点が離れた状態を示し、（ｂ）は二つの接点が接した状態を示し、（ｃ）は一方の接点（固定接点）に他方の接点（可動接点）が押し付けられている状態を示す。マグネット変位とバネ負担力との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示す開閉器１００は、真空容器１０と、固定電極２０と、可動電極３０と、可動電極３０を駆動するリンク機構４０と、二つのコイルバネ（接圧用バネＳ１及び遮断用バネＳ２）とを備える。接圧用バネＳ１と遮断用バネＳ２は、可動電極３０の移動方向（図１の矢印Ａの方向）において少なくとも一部が重なるように配置されている。なお、以下の説明における「上下」は、図１の矢印Ａの方向を意味する。

開閉器１００は、コンパクトなサイズでありながら優れた性能を有する。従来、コンパクトなサイズを維持しながら接点間の押し付け力を十分に大きくすることは困難であった。これに対し、開閉器１００においては、二つのコイルバネＳ１，Ｓ２を同軸に配置し且つ軸方向の少なくとも一部を重ねたことにより従来の課題を解決している。

すなわち、上記の構成を採用したことで、開閉器１００の矢印Ａ方向の長さを短くできる。まず、長さが短い開閉器は電柱又は地下に設置するのに有利である。開閉器１００の要求性能又は設置場所にもよるが、例えば４０〜５０ｍｍ程度の長さにわたって二つのコイルバネＳ１，Ｓ２を重ねて配置すると、二つのコイルバネを重ねずに配置した場合と比較して当該長さについて短尺化できる。また、矢印Ａ方向の長さを短くすることで圧縮力に対する強度が高まり、二つのコイルバネ（特に接圧用バネＳ１）の弾性力に起因するたわみの発生を抑制できる。これにより、接点間の押し付け力を十分に大きな値に設定でき、その結果、例えば短絡電流によって電極２０，３０間に強い反発力が生じても、意図しないタイミングで通電状態が解除されることを十分に抑制できる。以下、開閉器１００の各構成について説明する。

真空容器１０は内部を減圧状態に維持可能な容器である。真空容器１０は絶縁材料からなるフレーム１２（一部のみ図示）に支持されている。真空容器１０は、上端に開口を有し、この開口に固定電極２０が設けられている。真空容器１０は、下端にも開口を有し、この開口に可動電極３０が矢印Ａ方向に移動可能に設けられる。

固定電極２０は一方の端部に固定接点２１を有し、固定接点２１は真空容器１０内に配置されている。固定電極２０の他方の端部２２は真空容器１０の上面に露出しており端子を接続できるようになっている。

可動電極３０は一方の端部に可動接点３１を有し、可動接点３１は真空容器１０内であって固定接点２１に対向する位置に配置されている。可動電極３０は他方の端部３２に設けられたネジ穴３２ａを有する。ネジ穴３２ａに対して導電材料（例えば金属）からなるボルト３３の先端部を装着できる。これにより、可動電極３０の端部３２とボルト３３の頭部３３ａとの間に、後述するバネ装着部材５０を固定できるようになっている。

可動電極３０は、フレーム１２に固定された端子３８と電気的に通じている。すなわち、可動電極３０と端子３８との間に、導電性材料からなるパーツ（バネ装着部材５０、バネ性接点３４及びカラー３５）によって導電路が形成される。なお、バネ性接点３４は、バネ装着部材５０とカラー３５とを電気的に接続している。カラー３５はフレーム１２に端子３８とともにボルトで固定されている。

バネ装着部材５０は筒状部材からなり、図１，２に示すとおり、内部に接圧用バネＳ１を収容し、他方、外周に遮断用バネＳ２が配置されている。コイルバネである二つのバネＳ１，Ｓ２は径方向の中心が同軸となるようにバネ装着部材５０に装着されている。

バネ装着部材５０の開口内をボルト３３の軸部３３ｂが通っている。図２に示すとおり、バネ装着部材５０の開口サイズは、一方の端面５０ａから途中までの第一区間Ｒ１が残りの第二区間Ｒ２と比較して大きく、第一区間Ｒ１に接圧用バネＳ１が収容されている。第一区間Ｒ１には、ボルト３３の軸部３３ｂの外周に沿うようにカラー５２が配置され、カラー５２の外周に沿うように接圧用バネＳ１が更に配置されている。第一区間Ｒ１の内面及びカラー５２の外面は、接圧用バネＳ１が収縮する際に横方向にたわむのを防止する。

バネ装着部材５０の端面５０ａとボルト３３の頭部３３ａとの間にはバネ座５３が配置されている。バネ座５３に対して接圧用バネＳ１の下端が当接している。なお、接圧用バネＳ１の上端はバネ装着部材５０の第一区間Ｒ１と第二区間Ｒ２との境界面５０ｂに当接している。上述のカラー５２は、接圧用バネＳ１のたわみ防止に加え、バネ座５３及びボルト３３と協働して接圧用バネＳ１の初期長さを規定する役割も果たす。バネ装着部材５０の第一区間Ｒ１内にカラー５２を配置し、更にカラー５２の先端にバネ座５３を配置した後、カラー５２の開口にボルト３３の軸部３３ｂを通してボルト３３を締め込むことにより接圧用バネＳ１の初期長さを設定できる（図２参照）。なお、ボルト３３の頭部３３ａとバネ座５３との間にワッシャーを配置してもよい。

バネ座５３は、接圧用バネＳ１の下端が当接する円板５３ａと、円板５３ａの周縁からバネ装着部材５０の方向に延びる筒状部５３ｂとを有する。円板５３ａの中央には開口５３ｃが形成されており、開口５３ｃをボルト３３の軸部３３ｂとカラー５２が通っている。図２に示すとおり、ボルト３３を締め込んだ状態（初期状態）においては、バネ座５３の円板５３ａとバネ装着部材５０の端面５０ａとは離隔している。円板５３ａと端面５０ａとの距離は接圧用バネＳ１の変位より大きく設定されている。

バネ座５３の筒状部５３ｂは、バネ装着部材５０の下部５０ｃの外周を沿うように配置されており、開口５３ｃの内面とともにバネ装着部材５０に対する摺動部を構成する。バネ座５３は、バネ装着部材５０及びカラー５２に対して摺動可能（移動可能）である。バネ座５３がバネ装着部材５０及びカラー５２に対して摺動可能であると、当該箇所におけるたわみの発生をより確実に抑制できる。

バネ装着部材５０は、遮断用バネＳ２の下端が当接するフランジ５０ｄを外周に有する。なお、遮断用バネＳ２の上端はカラー３５の鍔部３５ａに当接している。フランジ５０ｄはバネ装着部材５０の下端の近傍であって、接圧用バネＳ１の圧縮に伴うバネ座５３の摺動の妨げとならない位置に設けられている。

バネ装着部材５０は、バネ座５３と、ボルト３３の頭部３３ａを覆うように設けられた連結部材５４とを介して絶縁体５５に接続されている。連結部材５４は、バネ座５３を支える保持部５４ａと、ボルト３３の頭部３３ａを収容する凹部５４ｂを有する。頭部３３ａは接圧用バネＳ１の圧縮に伴ってバネ座５３に対して突出するため、凹部５４ｂはその突出量に応じた深さを有する（図３（ｃ）参照）。絶縁体５５の形状は、例えば直方体であり、連結部材５４が装着された面と反対側の面にリンク機構４０の一部を構成する連結部材４１が装着されている。

リンク機構４０は、可動電極３０を駆動し、固定電極２０と可動電極３０との接続と、固定電極２０からの可動電極３０の切断とを切り替えるためのものである。リンク機構４０は、連結部材４１と上側アーム４２の一端とを回転自在に接続する第一のジョイントＪ１と、上側アーム４２の他端と下側アーム４３の一端とを回転自在に接続する第二のジョイントＪ２と、下側アーム４３の他端と台座４４とを回転自在に接続する第三のジョイントＪ３と、第二のジョイントＪ２の移動範囲を規制するストッパ４５と、第二のジョイントＪ２を駆動（吸引又は押出）するマグネットＭｇと、第一のジョイントＪ１とその横方向に位置する軸４６とを連結する補助アーム４７とによって構成される（図２参照）。補助アーム４７は第一のジョイントＪ１の横方向の動きを制限する。

本実施形態において、接圧用バネＳ１の弾性力は遮断用バネＳ２の弾性力よりも大きい。すなわち、リンク機構４０からバネ装着部材５０に対し、可動接点３１が固定接点２１に近づく方向の力を加えられると、まず遮断用バネＳ２が縮み、その後に可動接点３１が固定接点２１に接すると接圧用バネＳ１が縮むように構成されている。

以下、図３，４を参照しながら、開閉器１００において、固定電極２０と可動電極３０とが切断されている状態（開極）から固定電極２０と可動電極３０が接続された状態に切り替える動作について説明する。

まず、図３（ａ）に示す状態からマグネットＭｇによって第二のジョイントＪ２を吸引し、これにより可動電極３０を固定電極２０に向けて押し上げる。上側アーム４２と下側アーム４３とのなす角が１８０°になる手前で可動接点３１が固定接点２１に当接する（図３（ｂ））。図３（ａ）に示す状態から（ｂ）に示す状態に移行する際、接圧用バネＳ１は初期長さを維持したままの状態でバネ装着部材５０を上方に押し上げる。これによってフランジ５０ｄが上方に移動し、その結果、遮断用バネＳ２が収縮する。

次に、図３（ｂ）に示す状態からマグネットＭｇによって第二のジョイントＪ２を更に吸引し、これにより可動電極３０を固定電極２０に押し付ける。本実施形態においては、上側アーム４２と下側アーム４３とのなす角がほぼ１８０°になった状態（ジョイントＪ１，Ｊ２，Ｊ３が略一直線に並んだ状態）が固定電極２０に対して可動電極３０を押し付ける力が最大となった状態である（図３（ｃ））。図３（ｂ）に示す状態から（ｃ）に示す状態に移行する際、接圧用バネＳ１のみが収縮する。すなわち、連結部材５４によってバネ座５３が上方に押され、バネ座５３が接圧用バネＳ１を収縮させる。この際、バネ座５３はバネ装着部材５０及びカラー５２に対して摺動する。なお、バネ装着部材５０及びカラー５２はボルト３３によって可動電極３０と一体となっている。このため、可動電極３０が固定電極２０に当接した状態、つまり可動電極３０が移動しない状態においては、バネ装着部材５０は移動しないため、遮断用バネＳ２は変位しない。

二つの接点２１，３１が接触した後は、マグネット変位が大きくなっても遮断用バネＳ２は変位しないため、図４に破線で示したとおり、遮断用バネＳ２のグラフは水平のままである。仮に、二つの接点２１，３１が接触した後も遮断用バネＳ２の負担力が増大すると、接圧用バネＳ１の負担力との合計が過剰に大きくなるおそれがある。この場合、開閉器全体の強度を高くせざるを得ず、開閉器をコンパクトなサイズとすることが難しくなる。

通電状態から開極状態とするには、図３（ｃ）の状態から（ｂ）の状態を経て、（ａ）の状態とすればよい。なお、従来、一つのバネのみが使用された開閉器は開極時における可動電極の移動速度が高すぎると可動電極のバウンスによって可動電極が固定電極と再接触する可能性がある。これに対し、本実施形態によれば二つのコイルバネＳ１，Ｓ２を併用することでバウンスの発生を抑制できる。バウンスを抑制できることで、二つの接点２１，３１の間隔を十分狭く設定することができ、これにより優れた遮断性能を達成できる。二つの接点２１，３１の間隔（開極時）は、例えば１５ｍｍ以下、好ましくは１０〜１２ｍｍの範囲に設定できる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、バネ装着部材５０とリンク機構４０との間に絶縁体５５を配置する例を挙げたが、リンク機構４０のパーツの一部を絶縁材料からなるもので構成すれば、絶縁体５５を採用しなくてもよい。また連結部材５４を絶縁材料で構成し、連結部材５４と絶縁体５５とを一体としてもよい。更にリンク機構４０と異なる機構によって可動電極３０を駆動させてもよい。

１０…真空容器、２０…固定電極、２１…固定接点、３０…可動電極、３１…可動接点、３３…ボルト、３３ａ…頭部、３３ｂ…軸部、４０…リンク機構、５０…バネ装着部材、５０ａ…端面、５０ｄ…フランジ、５２…カラー、５３…バネ座、５３ｂ…筒状部（摺動部）、５３ｃ…開口（摺動部）、５５…絶縁体、１００…開閉器、Ｒ１…第一区間、Ｒ２…第二区間、Ｓ１…接圧用バネ、Ｓ２…遮断用バネ。

Claims

内部を減圧状態に維持可能な真空容器と、
一方の端部に固定接点を有し、前記固定接点が前記真空容器内に配置されている固定電極と、
一方の端部に可動接点を有し、前記可動接点が前記真空容器内であって前記固定接点に対向する位置に配置されている可動電極と、
前記固定電極と前記可動電極との間における電気的な接続と遮断とを切り替えるリンク機構と、
前記可動接点が前記固定接点に押し付けられる方向の力を前記可動電極に伝える接圧用コイルバネと、
前記可動接点が前記固定接点から離れる方向の力を前記可動電極に伝える遮断用コイルバネと、
前記可動電極の移動方向に貫通する開口を有する一つの部材であって、前記可動電極と前記リンク機構との間に設けられており、前記接圧用コイルバネ及び前記遮断用コイルバネが配置されるバネ装着部材と、
を備え、
前記接圧用コイルバネと前記遮断用コイルバネは、径方向の中心が同軸となるように且つ前記可動電極の移動方向において少なくとも一部が重なるように、前記バネ装着部材に配置されている、開閉器。
前記接圧用コイルバネの弾性力は前記遮断用コイルバネの弾性力よりも大きい、請求項１に記載の開閉器。
前記リンク機構から前記バネ装着部材に対し、前記可動接点が前記固定接点に近づく方向の力を加えられると、まず前記遮断用コイルバネが縮み、その後に前記可動接点が前記固定接点に接すると前記接圧用コイルバネが縮むように構成されている、請求項１又は２に記載の開閉器。
前記リンク機構から前記バネ装着部材に対し、前記可動接点が前記固定接点に近づく方向の力を加えられると、前記接圧用コイルバネは初期長さを維持したまま、まず前記遮断用コイルバネが縮み、その後に前記可動接点が前記固定接点に接すると前記接圧用コイルバネが縮むように構成されている、請求項１又は２に記載の開閉器。
前記接圧用コイルバネは前記バネ装着部材内に収容されており、
前記遮断用コイルバネは前記バネ装着部材の外周に沿って配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の開閉器。
前記バネ装着部材の開口サイズは、一方の端面から途中までの第一区間が残りの第二区間と比較して大きく、前記第一区間に前記接圧用コイルバネが収容されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の開閉器。
前記バネ装着部材の外周に沿うように前記遮断用コイルバネが配置されており、前記バネ装着部材は前記遮断用コイルバネの一方の端部が当接するフランジを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の開閉器。
前記接圧用コイルバネの一方の端部に当接するバネ座を更に備え、前記バネ座は前記バネ装着部材に対して移動可能である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の開閉器。
前記バネ座は、前記バネ装着部材に対する摺動部を有する、請求項８に記載の開閉器。
前記可動電極と前記バネ装着部材とを固定するボルトを更に備え、前記ボルトの軸部は前記バネ装着部材の前記開口内を通っている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の開閉器。
前記バネ装着部材内であって前記ボルトの外側且つ前記接圧用コイルバネの内側に配置され、前記ボルトによって前記バネ装着部材に固定されるカラーを更に備える、請求項１０に記載の開閉器。
前記可動電極と前記リンク機構との間に配置された絶縁体を更に備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の開閉器。
内部を減圧状態に維持可能な真空容器と、
一方の端部に固定接点を有し、前記固定接点が前記真空容器内に配置されている固定電極と、
一方の端部に可動接点を有し、前記可動接点が前記真空容器内であって前記固定接点に対向する位置に配置されている可動電極と、
前記固定電極と前記可動電極との間における電気的な接続と遮断とを切り替えるリンク機構と、
前記可動接点が前記固定接点に押し付けられる方向の力を前記可動電極に伝える接圧用コイルバネと、
前記可動接点が前記固定接点から離れる方向の力を前記可動電極に伝える遮断用コイルバネと、
を備え、
前記接圧用コイルバネの弾性力は前記遮断用コイルバネの弾性力よりも大きく、
前記接圧用コイルバネと前記遮断用コイルバネは、径方向の中心が同軸となるように且つ前記可動電極の移動方向において少なくとも一部が重なるように配置され、
前記リンク機構は、前記可動電極の移動方向に移動可能な連結部材と、第一のアームと、第二のアームと、台座と、前記連結部材と前記第一のアームの一端とを回転自在に接続する第一のジョイントと、前記第一のアームの他端と前記第二のアームの一端とを回転自在に接続する第二のジョイントと、前記第二のアームの他端と前記台座とを回転自在に接続する第三のジョイントとを有し、前記第一のジョイントと前記第二のジョイントと前記第三のジョイントが略一直線に並んだ状態において前記固定電極に対して前記可動電極を押し付ける力が最大となるように構成されている、開閉器。
内部を減圧状態に維持可能な真空容器と、
一方の端部に固定接点を有し、前記固定接点が前記真空容器内に配置されている固定電極と、
一方の端部に可動接点を有し、前記可動接点が前記真空容器内であって前記固定接点に対向する位置に配置されている可動電極と、
前記固定電極と前記可動電極との間における電気的な接続と遮断とを切り替えるリンク機構と、
前記可動接点が前記固定接点に押し付けられる方向の力を前記可動電極に伝える接圧用コイルバネと、
前記可動接点が前記固定接点から離れる方向の力を前記可動電極に伝える遮断用コイルバネと、
前記可動電極の移動方向に貫通する開口を有する一つの部材であって、前記可動電極と前記リンク機構との間に設けられており、前記接圧用コイルバネ及び前記遮断用コイルバネが配置されるバネ装着部材と、
前記バネ装着部材の外周に設けられており、前記遮断用コイルバネの一方の端部が当接するフランジと、
前記接圧用コイルバネの一方の端部に当接するバネ座であって、前記バネ座は前記バネ装着部材に対して摺動するバネ座と、
前記可動電極と前記バネ装着部材とを固定するボルトであって、軸部を有し、前記軸部が前記バネ装着部材の開口内を通っているボルトと、
を備え、
前記接圧用コイルバネの弾性力は前記遮断用コイルバネの弾性力よりも大きく、
前記接圧用コイルバネは前記バネ装着部材内に収容され且つ前記遮断用コイルバネは前記バネ装着部材の外周に沿って配置されており、
前記接圧用コイルバネと前記遮断用コイルバネは、前記可動電極の移動方向において少なくとも一部が重なるように前記バネ装着部材に配置されている、開閉器。