JP5566251B2

JP5566251B2 - 継電器

Info

Publication number: JP5566251B2
Application number: JP2010229241A
Authority: JP
Inventors: 強平蓑田; 健太郎小倉; 哲也小林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: JP2012084368A

Description

この発明は、低コストにてアーク電流を消弧することができる継電器に関するものである。

従来の継電器は、２接点が負荷を介してシリーズに接続され、接点間に発生するアーク電流を磁石の磁力を利用してアーク電流を湾曲させ吹き飛ばすものである（例えば、特許文献１参照）。その他の従来としては、一方の接点の断面形状を先端に向かって細くなるように傾斜するような接点形状を有し、その延長上にあるアーク電流走行導体へアーク電流を走行させやすくするものである（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−８７９１８号公報（［００１１］、［００１３］、［００１４］、図１、４）特開２００２−３３４６４４号公報（［０００４］、［０００５］、図３〜８）

従来の継電器は、アーク電流の消弧性能向上（アーク電流の消え易さ、消し易さの性能向上のこと）に対して、先の従来例のような場合では、接点付近に永久磁石を配置し、発生したアーク電流に対して永久磁石の磁束を鎖交させ、アーク電流を吹き飛ばすことで、遮断性能向上を可能としている。また、後の従来例のような場合では、接点形状はアーク電流が移動しやすいように接点先端に傾斜を設けるような構造にして接点に接続したアーク電流ランナへアーク電流を移動させることによって、遮断性能向上を可能としている。しかし、いずれの従来例の場合にも、消弧性能を向上させるために接点以外に他の部品の設置が必要となる。小型のリレーにおいては、他部品（永久磁石やアーク電流ランナー）を設置するスペースを確保する必要があり、筐体サイズ増、部品点数増加やコスト増が懸念される。また、後の従来例の場合には、一般的に高価な部品となる永久磁石を設置しなければならないため、遮断性能は格段に向上するがコストの大幅な増加や周辺の磁性材の設置位置に制限を受ける等の問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、低コストにてアーク電流を消弧することができる継電器を提供することを目的とする。

この発明は、固定接点と、上記固定接点に対向して配設され可動して接離する可動接点とを備え、
上記固定接点および上記可動接点のいずれもの接点側には、接点面と接点面に連接される側面とのなす角が鋭角となるエッジ部を備えたものである。

この発明の継電器は、上記のように構成されているので、
エッジ部において発生したアーク電流をローレンツ力により外部に吹き飛ばすことができ、接点面におけるダメージを低減することができる。

この発明の実施の形態１の継電器の構成を示す図である。図１に示した継電器の接点部分の構成を示した断面図である。図２に示した接点部分の鋭角部の定義を説明するための図である。図２に示した接点部分の他の鋭角部の定義を説明するための図である。図２に示した接点部分の他の鋭角部の定義を説明するための図である。図２に示した接点部分のアーク電流の消弧過程を説明するための図である。図２の接点部分の接点面をマクロに見た場合のアーク電流の発生過程を説明するための図である。図２の接点部分の接点面をマクロに見た場合のアーク電流の発生過程を説明するための図である。図２に示した接点部分の接点表面位置と接触抵抗との関係を示す図である。この発明の実施の形態２の継電器の接点部分の構成を示す図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１における継電器の構成を示す図、図２は図１に示した継電器の接点部分の構成を示した断面図、図３は図２に示した接点部分の鋭角部の定義を説明するための図、図４および図５は図２に示した接点部分の他の鋭角部の定義を説明するための図、図６は図２に示した接点部分のアーク電流の消弧過程を説明するための図、図７および図８は図２の接点部分の接点面をマクロに見た場合のアーク電流の発生過程を説明するための図、図９は図２に示した接点部分の接点表面位置と接触抵抗との関係を示す図である。

図において、継電器として、電磁アクチュエータ１１と、固定接点９と、固定接点９に対向して配設され可動して接離する可動接点１０とを備えている。この発明の継電器は、例えば、電力量計の遠隔操作開閉用リレーなど、特に高電圧の交流電流または直流電流を遮断するのに必要な回路に適用可能なものとして用いられることが考えられる。可動接点１０の可動動作は、電磁アクチュエータ１１により行われている。尚、他の機構であってもよく、例えば、バネ操作等によって可動する構成でも良い。そして、可動接点１０および固定接点９には電流Ａが通電される。このために、例えばベース材として銅材が用いられ、表面処理として銀メッキ等のメッキ処理が施され形成されている。また、可動接点１０および固定接点９の接点側の平面形状は円形、または矩形にて形成されることが考えられる。

そして、固定接点９または可動接点１０の接点側には、図３に示すように、接点面９ａ、１０ａと接点面９ａ、１０ａに連接される側面９ｂ、１０ｂとのなす角θが鋭角となるエッジ部１、２が、固定接点９および可動接点１０の両方の、接点面９ａ、１０ａと接点面９ａ、１０ａに連接される側面９ｂ、１０ｂとの全周において形成されている。そして、接点面９ａ、１０ａと側面９ｂ、１０ｂとの交点Ｘは電界を集中させることが可能となる。

次に上記のように構成された実施の形態１の継電器の動作について図６ないし図８に基づいて説明する。まず、接点の部分をマクロにみると、接点面９ａ、１０ａは凹凸がある。よって、接点面９ａ、１０ａが開極するとき、この凹凸中の最終接触点に電流が集中する（図７（ａ））。よって、この最終接触点が溶解し熱ガスが発生する（図７（ｂ））。次に、接点間にて発生した熱ガスはそのガス圧の関係から接点の外側方向へ押し出されるように移動する（図８（ａ））。次に、接点間で発生した熱ガスが接点外側へ移動することによって、エッジ部１、２（電界集中エリア）に、その熱ガスがふれることで、エッジ部１、２でブレークダウンを生じ、エッジ部１、２で熱ガスがアーク電流へと成長する（図８（ｂ））。

次に、可動接点１０が動作し接点間が開く時に発生するアーク電流を吹き消す過程について図６に基づいて説明する。図に示すように電流Ａの可動接点１０側での経路は、電流Ａ１、電流Ｂ１となり、固定接点９に流れる経路は電流Ａ２、電流Ｂ２となる。電流Ａ１および電流Ａ２から生じるローレンツ力の水平方向成分ＦＡと、電流Ｂ１および電流Ｂ２から生じる水平方向のローレンツ力ＦＢの方向が同方向で、外部側に向かって吹き飛ばす方向に働く。このため、アーク電流４（破線にて囲まれた部分）からアーク電流５（実線にて囲まれた部分）に示すように、このローレンツ力ＦＡ、ＦＢの合力によって、アーク電流４には外部側に向かって引き伸ばされる力が作用し、アーク電流５となり外部側へとすみやかに吹き飛ばされる。これにより、接点面９ａ、１０ａのダメージを抑制することが可能になる。

次に、多数回の開閉動作において接点のエッジ部１、２は損耗が進行していくことが想定される。エッジ部１、２の損耗度合いについては、エッジ部１、２のなす角θに依存する。エッジ部１、２のなす角θが小さいほど、電界集中の効果は大きいが、多数回の開閉動作による損耗度合いは大きくなり、なす角θが大きいほど、電界集中の効果が低減するが損耗度合いを抑制することができる。つまり、エッジ部１、２のなす角θの下限値はアーク電流に曝されたとしても物理的に対応可能となる角度であり、上限値は上記示したような電界集中効果が得られる程度の角度であると言える。さらに、機械加工精度、多数回開閉動作に耐えることができる機械的な強度も併せて考慮する必要がある。これらのことから、エッジ部１、２のなす角θは３０°〜６０°程度が最適形状だと考えられる。

次に、継電器の寿命において寿命劣化の要因の一つに通電性能劣化が考えられる。本発明の接点形状のようにエッジ部１、２のなす角θを鋭角にすることで、接点間に発生するアーク電流はローレンツ力によってエッジ部１、２からすみやかに消すことが可能となる。図９に、多数回の開閉動作によってエッジ部１、２の損耗が増加し消耗部６ａ、６ｂが発生した後の接点面９ａ、１０ａの接触抵抗分布を示す。図９（ｂ）のＸ軸は接点面９ａ、１０ａの水平方向の位置関係を示し、Ｙ軸は各位置における接触抵抗を示している。Ｘ軸の水平方向の位置関係は図９（ａ）に示している位置関係である。

図に示すように、本発明の接点形状を適用することで、多数回の開閉動作によって、エッジ部１、２は消耗部６ａ、６ｂとなり接触抵抗が増加することが予想される。しかし、電流Ａはエッジ部１、２の損耗部６ａ、６ｂを通らず、接触抵抗値が小さい他の接点面９ａ、１０ａを通電する。さらに、開閉回数を増加させたとしても、エッジ部１、２（ｘ＝０、Ｌ付近）の接触抵抗値はある程度上昇するが、その他接点面９ａ、１０ａにはダメージが及ばないことから接触抵抗値の大幅な上昇の抑制が可能となる。よって、接点の通電するための接点面のダメージが抑制され、継電器の長寿命化が可能となる。

また、エッジ部１、２は、上記に示したように通電においてほぼ寄与していないため、他の接点面９ａ、１０ａと同様に抵抗を低減する必要がない。よって、耐アーク電流に優れている、例えばエッジ部１、２の形成されていない箇所の固定接点９または可動接点１０より高融点材にて形成することもできる。高融点材としては、先のメッキ加工を施さないものにて対応する場合、タングステン材にて形成する場合が考えられる。このように形成すれば、耐アーク電流に優れているため、多数回の開閉動作を行っても損耗しにくくなる。尚、このことは以下の実施の形態でも同様であるためその説明は適宜省略する。

上記のように構成された実施の形態１の継電器によれば、電界集中箇所を制御することができるエッジ部を有しているため、エッジ部にアーク電流が発生する。その際に、アーク電流を接点外側へ吹き飛ばす力（ローレンツ力）を効果的にアーク電流に作用させることができ、アーク電流の消弧性能が向上する。また、多数回の開閉（接離）動作において、エッジ部にダメージが集中するため、他の接点面のダメージが軽減および接点接触抵抗値上昇が抑制できる。このような効果を、エッジ部を形成することにて得ることができるため、他に部品など備える必要が無く、低コストにて実施することができる。また、他の部品などが必要ないため、減量化となり、包装が削減でき、それによる、環境負荷の軽減が実施可能となる。

尚、上記実施の形態１においては、エッジ部の鋭角の交点Ｘを図３に示したような構造を例に示したが、これに限られることはなく、例えば、図４および図５に示すように交点Ｘが、電界を集中できる程度の微小な面取り加工、Ｃ加工、または、Ｒ加工された構造でもよく、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

また、上記実施の形態１においては、エッジ部を固定接点および可動接点の両方に形成する例を示したが、これに限られることはなく、例えば固定接点または可動接点のいずれか一方に形成する場合であっても、エッジ部の形成された部分においては、力の大きさの差はあるものの上記実施の形態１と同様にローレンツ力を生じるため、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。このことは以下の実施の形態においても同様のことが言えるため、その説明は適宜省略する。

また、上記実施の形態１においては、エッジ部を固定接点および可動接点の接点面と接点面に連接される側面との全周において形成する例を示したが、これに限られることはなく、例えば固定接点または可動接点のいずれか一方において、接点面と接点面に連接される側面との一部において形成する場合であっても、エッジ部の形成された部分においては、力の大きさの差はあるものの上記実施の形態１と同様にローレンツ力を生じるため、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。このことは以下の実施の形態においても同様のことが言えるため、その説明は適宜省略する。

実施の形態２．
図１０はこの発明の実施の形態２による継電器の構成を示す断面図である。図において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。上記実施の形態１の場合と異なる箇所は、エッジ部７、８であり、固定接点９および可動接点１０が接している配置において（図１０の状態）、エッジ部７、８と相対する固定接点９あるいは可動接点１０の接点面９ａ、１０ｂと離反しているものである。

上記のように構成された実施の形態２の継電器の動作について説明する。まず、上記実施の形態１と同様に電流は流れる。そして、エッジ部７、８は常に離反した構成となるため、通電経路として機能させず、アーク電流を発弧、吹き飛ばして消弧させる機能のみに限定される。これによって、通電経路となる他の接点面９ａ、１０ａはアーク電流によるダメージがなくなるため、接触抵抗が増加しない。

上記のように構成された実施の形態２の継電器によれば、上記実施の形態１と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、エッジ部を電気的に常に切り離された構造にて形成しているため、エッジ部でアーク電流をすみやかに消弧させることで他の接点表面にダメージをより一層抑制することができる。また、エッジ部はアーク電流が点弧するため損耗が生じるが、定格通電時にはエッジ部に電流が通電されないため、接触抵抗値の上昇をより一層抑制することができる。

尚、上記実施の形態２においては、上記に示したような平坦な面にて形成する場合に限られることはなく、例えばエッジ部の離反させるために、接点面全体に微小なＲ曲面にて形成し、エッジ部を離反するように形成しても、上記実施の形態２と同様の効果を奏することができる。

１，２，７，８エッジ部、４，５アーク電流、９固定接点、
９ａ，１０ａ接点面、９ｂ，１０ｂ側面、１０可動接点、
ＦＡ，ＦＢローレンツ力。

Claims

固定接点と、上記固定接点に対向して配設され可動して接離する可動接点とを備え、
上記固定接点および上記可動接点のいずれもの接点側には、接点面と接点面に連接される側面とのなす角が鋭角となるエッジ部を備えたことを特徴とする継電器。
上記固定接点および上記可動接点が接している配置において、
上記エッジ部は、上記エッジ部と相対する上記固定接点あるいは上記可動接点の上記接点面と離反していることを特徴とする請求項１に記載の継電器。
上記エッジ部は、上記エッジ部の形成されていない箇所の上記固定接点または上記可動接点より高融点材にて形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の継電器。
上記エッジ部は、上記固定接点および上記可動接点のいずれもの上記接点面と上記接点面に連接される上記側面との全周において形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の継電器。