JP5946382B2 - 電磁継電器 - Google Patents

Description

本発明は、電気機器の電源をオンオフする電磁継電器に関する。電磁継電器は、例えば家庭用、産業用又は車載用のものを含む。

例えば下記の特許文献１に記載されるような電磁継電器においては電気回路上の電流の通電遮断を接点の開閉により行っている。この開閉を行う接点を構成する固定接点と可動接点とが、可動接点の接離方向への移動に伴って接触している状態から相互に離隔するとき又は離隔している状態から接近するときにおいて、電圧が最小アーク電圧よりも大きくなる又は電流が最小アーク電流よりも大きくなる場合に、アークが発生することが懸念される。

特開２０１２−８９４８４号公報

この特許文献１に記載されているような電磁継電器においては、アークが電流と同じ磁気的な性質を有していることを利用して、接点近傍に位置する磁石の磁束に基づいて、フレミングの左手の法則に基づく電磁力（ローレンツ力）をアークに作用させてその方向を曲げ、偏向させて吹き飛ばして消弧する技術も適用可能である。ところが、アークを偏向させて引き延ばすことによって遮断性能を高めることを考慮した場合に、電磁継電器の外形寸法が小さくなるほど引き延ばすための空間確保が難しくなり、アークの消弧効果を高めることと小型化を十分に両立できないという問題も生じる。

本発明は、外形寸法にかかわらずにアークの消弧効果を高めることができる電磁継電器を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明に係る電磁継電器は、
固定接点と、当該固定接点に対応する接離方向に変位可能な可動接点とからなる接点と、当該接点の外周側に配置された前記接離方向と垂直をなす極性方向を有する永久磁石と、前記接点に通電される直流電流において、前記永久磁石に基づいて作用するローレンツ力の指向方向に対向し、アーク放電を引き延ばす面を有する非磁性体とを含むことを特徴とする。

ここで、前記非磁性体の形状が平板状あるいは前記接点を覆う外覆形状であることとしてもよく、前記非磁性体と前記接点との距離を当該距離と前記接点の遮断時間との特性に基づいて所定範囲に定めることとしてもよく、外殻をなす箱部品を含み、当該箱部品に前記永久磁石及び前記制限板をそれぞれ圧入可能な二の凹部を設け、当該二の凹部に前記永久磁石及び前記制限板をそれぞれ圧入することにより、前記箱部品に前記永久磁石と前記制限板が固定されることとしてもよい。さらに、前記箱部品内部の空間には真空化もしくはガス注入を施さないこととしてもよい。

本発明によれば、開閉性能を高めた上で、アークの消弧効果を高めることができる電磁継電器を提供することができる。

本発明に係る実施例１の電磁継電器１の一実施形態を接点の接離方向から視て示す模式図である。 実施例１の電磁継電器１の一実施形態を永久磁石の磁性方向から視て示す模式図である。 実施例１の電磁継電器１を可動鉄心及び軸芯の中心軸線を通る断面にて示す模式図である。 実施例１の電磁継電器１の非磁性体の態様と箱部品との固定態様を示す模式図である。 実施例１の電磁継電器１におけるアークの消弧態様の詳細を永久磁石の磁性方向から視て示す模式図である。 実施例１の電磁継電器１におけるアークの消弧態様を従来技術との比較に基づいて示す模式図である。 実施例１の電磁継電器１の非磁性体と接点との距離を決定する根拠となるアーク遮断時間の定義を示す模式図である。 実施例１の電磁継電器１の非磁性体と接点との距離とアーク遮断時間との相関関係である特性を示す模式図である。 本発明に係る実施例２の電磁継電器２１の一実施形態について概観と主要部を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１において方向Ｉは接点Ｓにおける電流の流れる方向であり、方向ＮＳは永久磁石の磁性方向であり、方向Ｒは接点Ｓのアークに作用するローレンツ力の方向である。ここでは、方向Ｉは固定接点２に対する可動接点３の接離方向に一致する。

接点Ｓは、方向Ｉに相互に対向しながら並列する円柱状の固定接点２と可動接点３とによって構成される。永久磁石４は磁性方向である方向ＮＳが方向Ｉ及び方向Ｒに垂直となるように、接点Ｓの側方に配置される。平板状の金属板５（非磁性体）は、方向ＮＳと方向Ｉの双方に垂直な方向Ｒに対して垂直に、接点Ｓの側方に配置される。

つまり、本実施例１の電磁継電器１は、固定接点２と、固定接点２に対応する接離方向に変位可能な可動接点３とからなる接点Ｓと、接点Ｓの外周側に配置された接離方向と垂直をなす極性方向を有する永久磁石４と、接点Ｘに通電される直流電流において、永久磁石４に基づいて作用するローレンツ力の指向方向に対向する金属板５（非磁性体）を含んで構成されている。図１においては、接点Ｓを構成する固定接点２から可動接点３に電流が流れる場合を示している。

つまり、図２に示すように、接点Ｓの＋極を構成する固定接点２と、−極を構成する可動接点３を並列させた状態で、永久磁石４の磁性方向ＮＳのＮ極側から視ると、アーク放電ＡＩは可動接点３から固定接点２に糸を引く円弧状に形成される。

なお、アーク放電ＡＩ（単にアークとも言う）とは固定接点２と可動接点３の間に図２に示すように電源Ｅと適宜の抵抗Ｒ１に接続され閉回路とされて電気的な負荷がかけられている状態において、固定接点２の表面と可動接点３の表面間の空隙すなわちギャップを通して電流が流れ始める時に始まるものであり、接点表面とアーク放電ＡＩとの境界部分すなわち陽極足と陰極足部分において、接点表面が加熱される。陽極足部分は電子衝撃、陰極足部分はイオン衝撃によって加熱される。陽極及び陰極はともにアーク放電ＡＩからの熱伝導及び放射によっても加熱される。このように陽極と陰極の双方においての加熱が陽極及び陰極を構成する材料を蒸発させることを招き、固定接点２及び可動接点３の双方の消耗が増大する。

このため本実施例１の電磁継電器１では、接点Ｓの耐久性向上と遮断性能の向上の双方の観点から、発生したアーク放電ＡＩをより効果的に消弧することを非磁性体と永久磁石の適宜の配置により実現する。

なお、本実施例１の電磁継電器１の全体構成は図３に示すように、プランジャタイプであり軸芯に対して接点が一対存在するワンフロムエックスタイプである。つまり、電磁継電器１は、図３に示すように、左右一対の接点Ｓを有している。本実施例１では図３中左側の接点Ｓの固定接点２がプラス端子６に接続され、右側の接点Ｓの固定接点２がマイナス端子７に接続されている。なお、図２においてカッコ外は図３における左側の接点Ｓにおける陽極と陰極の組合せを示し、カッコ内は図３における右側の接点Ｓにおける陽極と陰極の組合せを示す。

左右一対の接点Ｓのそれぞれの可動接点３は直方体状の可動部８の左右端部に配置されており、可動部８は軸芯９に接圧バネ１０を介して連結されている。軸芯９の図３中上側の上端部はプラス端子６及びマイナス端子７を固定するハウジング１１に復帰バネ１２及びＥリング１３を介して連結されており、軸芯９の下端部は可動鉄心１４の有する有底孔部に軸芯９の軸方向に摺動自在に連結されている。

可動鉄心１４の外周側には円環状のヨーク１５が配置され、ヨーク１５の外周側にはコイル電線１６が巻回され配置される。コイル電線１６の外周側には電磁遮蔽を目的とするバリア１７が配置され、ヨーク１５の図３中下端部とコイル電線１６の双方を支持し外包して、ハウジング１１に適宜接合される底蓋状のヨーク１８が配置される。

金属板５は、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、銀等の強磁性体ではない非磁性体のいずれかによりまたはいずれかを主成分として構成される。なお金属板５の形状は図１、図２の概念図に示すように平板状とすることもできるが、ローレンツ力により吹き飛ばされるアーク放電ＡＩが金属板５の表面上で引き延ばされることを考慮して、図４（ａ）に示すように、接点Ｓの接触面を接離方向の径方向から外覆する外覆形態とすることが好ましい。図４（ａ）ではこの外覆形態の一例としてＵ字柱状形態が選択されている。ハウジング１１はこのＵ字柱状の金属板５が収納され圧入固定可能な一対の凹部１１ａを備えている。凹部１１ａは接点Ｓの外周側に位置して、Ｕ字柱状の金属板５を接離方向から圧入可能な形態を具備している。一対の金属板５は対応する凹部１１ａに図４（ｂ）に示すように、圧入固定される。また、図４（ａ）に示すように、ハウジング１１は一対の平板状の永久磁石４が収納され圧入固定可能な凹部１１ｂも具備している。一対の永久磁石４はそれぞれ対応する凹部１１ｂに圧入固定される。さらに箱部品であるハウジング１１内部の空間には真空化もしくはガス注入を施さない。

コイル電線１６は図３中においては図示しない端子部を備えており、この端子部に励磁電流が印加されない状態において、復帰バネ１２の付勢力に基づいて軸芯９及び可動鉄心１４が図３中下方に付勢されて、固定接点２と可動接点３より構成される接点Ｓの開状態への遷移又は維持がなされる。端子部に励磁電流が印加されると、コイル電線１６及びヨーク１５及びヨーク１８の発生する可動鉄心１４を図３中上方に吸引する力により、軸芯９及び可動部８が上方に移動させられて、可動接点３は固定接点２に接触されて閉状態とされる。

なお図２に示した閉回路上における電圧Ｖと電流Ｉを接点Ｓの遮断前後において測定すると図７に示す波形を示す。遮断の初期において電流Ｉはステップ状に下がった後、２ミリ秒程度漸減して、その後急激に低下し、電圧Ｖはステップ状に上がった後、２ミリ秒程度漸増して、その後急激に上昇して既定値に到達する。

電磁継電器１の接点Ｓにおけるアーク遮断時間Ｔは電流Ｉがステップ状に下がってから、電圧Ｖが最終的に既定値に到達するまでの時間である。このアーク遮断時間Ｔが短いほど、アーク放電ＡＩの消弧に要する時間が短いことを示している。ここで、接点Ｓを構成する固定接点２と可動接点３の金属板５との図５中のアーク放電ＡＩが吹き飛ばされる方向における距離Ｄとアーク遮断時間Ｔとの関係は図８に示すように、Ｄの増大に対してＴが漸減する形態をなす。

ローレンツ力により吹き飛ばされるアーク放電ＡＩをより効果的に金属板５に衝突させるにあたっては、距離Ｄが短い方が衝突エネルギーを大きく確保できる。ただし、距離Ｄを小さく設定しすぎると、アーク放電ＡＩの固定接点２の側面又は可動接点３の側面と金属板５との間において、図５に示すような逆Ω字型にアーク放電ＡＩを引き延ばすにあたって必要な隙間が確保できなることを招く。加えて、固定接点２の側面が実質的にはプラス端子６又はマイナス端子７であって端子部分に例えば鉄系統の強磁性体が含まれる場合にはアーク放電ＡＩが端子部分に進入してしまうことも招く。

この場合、金属板５の表面に沿わせたアーク放電ＡＩの接点Ｓと金属板５との間における引き延ばしが十分にできないことを招いてしまうため、本実施例１の電磁継電器１において図８に示す特性が実験又はシミュレーションにより得られる場合には、距離Ｄを最小値１ｍｍよりも大きい値例えば１．５ｍｍ程度（所定範囲）に設定する。

本実施例１の電磁継電器１によれば、上述した所定の位置関係を有する永久磁石４と非磁性体の金属板５を、接点Ｓ近傍に具備することによって、以下のような作用効果を得ることができる。

すなわち、接点Ｓの開閉に伴って、固定接点２と可動接点３との間のギャップに発生するアーク放電ＡＩがローレンツ力により吹き飛ばされるにあたり、金属板５にローレンツ力の作用する方向に対向配置しているので、円弧状のアーク放電ＡＩを図５に示すように、金属板５の表面に沿って引き延ばすことができる。なお、図５では図示の便宜上金属板５は平板状としている。

つまり本実施例１の電磁継電器１においては、固定接点２と可動接点３との間に離隔時に発生するアーク放電ＡＩを、永久磁石４の発生する磁束とアーク放電ＡＩとにより発生する、フレミングの左手の法則に基づく電磁力（ローレンツ力）により接点Ｓから離隔する方向に偏向させて吹き飛ばすととともに、金属板５（非磁性体）に対して吹き飛ばされたアーク放電ＡＩを衝突させることができる。この衝突によりアーク放電ＡＩを金属板５の面方向に引き延ばして、アーク放電ＡＩの熱エネルギーを非磁性体に吸収させかつアーク放電ＡＩの固定接点２と可動接点３との間の延在距離をなるべく長くすることで、より迅速にアーク放電ＡＩを消弧することができる。

つまりローレンツ力によるアーク放電ＡＩが吹き飛ばされる方向に金属板５が設置されない場合においては、図６（ａ）に示すようにアーク放電ＡＩは円弧状をなして径方向に単に膨張する形態をなすが、非磁性体である金属板５が設置されることによって、図６（ｂ）に示すように金属板５内部にアーク放電ＡＩが進入することなく表面上で引き延ばすことができるので、より広い範囲で金属板５によりアーク放電ＡＩの熱エネルギーが吸収され、かつ、アーク放電ＡＩの空間内での延在距離を長くして、アーク放電ＡＩの消弧をより効果的に行うことができる。

さらに本実施例１の金属板５は、アーク放電ＡＩのハウジング１１への衝突を防止する機能も有しており、ハウジング１１がアーク放電ＡＩにより損傷を受けることを防止することができるとともに、このハウジング１１を構成する樹脂の損傷の防止に伴うガスの発生も防止して、接点Ｓの接触特性の劣化を防止できる。また箱部品としてのハウジング１１の損傷を防止してガス発生を防止できるため、内部の空間には真空化もしくはガス注入を施さないこととしてコストダウンと図ることもできる。

加えてアーク放電ＡＩを引き延ばして熱エネルギーを下げて遮断性能を確保するにあたって必要な空間を、金属板５の設置により必要最低限のものとして、ハウジング１１ひいては電磁継電器１全体のダウンサイジングを図ることができる。換言すれば外形寸法にかかわらずに遮断性能を高めることができる。

本実施例１の電磁継電器１においては、外殻をなす箱部品としてのハウジング１１に実施例３で示した固定の形態に換えて、永久磁石４及び金属板５の双方を圧入によりハウジング１１に固定する形態としているが、永久磁石４と金属板５がハウジング１１にインサートモールド成型にて予め埋設され一体的に固定されるものとしてもよい。

後者の成型手法を採用することにより、永久磁石４と金属板５のハウジング１１への固定をインサートモールド成型により一工程で行うことができ、組立容易性と製造容易性を高めることができる。

上述した実施例１の電磁継電器１は、本発明をプランジャタイプのリレーに適用する形態について述べたが、本発明はプランジャタイプへの適用の他、アームタイプ（ヒンジタイプ）のリレーに適用することももちろん可能である。以下、それについての実施例２について述べる。図９（ａ）は本実施例２の電磁継電器２１の概観を示し、図９（ｂ）は電磁継電器２１の本発明に関連する部分のみを拡大して示す。

図９（ａ）に示すように、実施例２の電磁継電器２１は、アームタイプかつワンフロムエータイプのリレーに本発明を適用した形態を示している。図９（ｂ）に示すように、接点Ｓを構成する固定接点２２と可動接点２３は接離方向において相互に対向し、永久磁石２４は可動接点２３を支持する可動アーム２３Ａの支点から端点に向かう方向に対向する位置に配置される。非磁性体の金属板２５は、接離方向に流れるアーク放電ＡＩに永久磁石２４の磁性力によりローレンツ力が作用して吹き飛ばされる方向に対向する位置に配置され、ここでは永久磁石２４よりも可動アーム２３Ａの支点側に配置される。可動アーム２３Ａはプラス端子２６に接続され、固定接点２２はマイナス端子２７に接続される。

なお、電磁継電器２１を構成する外殻をなす箱部品としてのハウジングや、可動アーム２３Ａを駆動するコイル電線やヨークにより構成される駆動部については、実施例１のプランジャタイプと機能的には同等の構造であるため詳細構造についての説明は割愛する。本実施例２の電磁継電器２１はアームタイプであり、接点Ｓについて接離方向を中心として外覆する形態に金属板２５を配置することは可動アーム２３ａの揺動に必要なスペースを確保する観点で適切でないため、金属板２５は平板状としている。

本実施例２の電磁継電器２１においても、固定接点２２と可動接点２３との間に離隔時に発生するアーク放電ＡＩを、永久磁石２４の発生する磁束とアーク放電ＡＩとにより発生する、フレミングの左手の法則に基づくローレンツ力により接点Ｓから離隔する方向に偏向させて吹き飛ばすととともに、金属板２５に対して吹き飛ばされたアーク放電ＡＩを衝突させることができる。この衝突に基づいて、実施例１と同様にアーク放電ＡＩを金属板２５の面方向に引き延ばして、アーク放電ＡＩの熱エネルギーを非磁性体に吸収させてアーク放電ＡＩを弱め、アーク放電ＡＩの固定接点２２と可動接点２３との間の延在距離をなるべく長くすることで熱エネルギーを減らして、より迅速にアーク放電ＡＩを消弧することができる。ハウジングの保護効果、ダウンサイジング効果についても実施例１と同様に実施例２についても得ることができる。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

本発明は、電磁継電器に関するものであり、ダウンサイジング性を高めた上で、アークの消弧効果と接点の遮断性能を高めることができる。このため、本発明は、家庭用又は産業用に用いられる電磁継電器に適用して有益なものである。

１ 電磁継電器
２ 固定接点
３ 可動接点
Ｓ 接点
４ 永久磁石
５ 金属板（非磁性体）
６ プラス端子
７ マイナス端子
８ 可動部
９ 軸芯
１０ 接圧バネ
１１ ハウジング
１２ 復帰バネ
１３ Ｅリング（止め具）
１４ 可動鉄心
１５ ヨーク
１６ コイル電線
１７ バリア
１８ ヨーク
２１ 電磁継電器
２２ 固定接点
２３ 可動接点
２３Ａ 可動アーム
２４ 永久磁石
２５ 金属板（非磁性体）
２６ プラス端子
２７ マイナス端子

Claims (5)

1. 固定接点と、当該固定接点に対応する接離方向に変位可能な可動接点とからなる接点と、当該接点の外周側に配置された前記接離方向と垂直をなす極性方向を有する永久磁石と、前記接点に通電される直流電流において、前記永久磁石に基づいて作用するローレンツ力の指向方向に対向し、アーク放電を引き延ばす面を有する非磁性体とを含むことを特徴とする電磁継電器。
2. 固定接点と、当該固定接点に対応する接離方向に変位可能な可動接点とからなる接点と、当該接点の外周側に配置された前記接離方向と垂直をなす極性方向を有する永久磁石と、前記接点に通電される直流電流において、前記永久磁石に基づいて作用するローレンツ力の指向方向に対向する非磁性体とを含み、前記非磁性体と前記接点との距離を当該距離と前記接点の遮断時間との特性に基づいて所定範囲に定めることを特徴とする電磁継電器。
3. 前記非磁性体の形状が平板状あるいは前記接点を覆う外覆形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁継電器。
4. 外殻をなす箱部品を含み、当該箱部品に前記永久磁石及び前記非磁性体をそれぞれ圧入可能な二の凹部を設け、当該二の凹部に前記永久磁石及び前記非磁性体をそれぞれ圧入することにより、前記箱部品に前記永久磁石と前記非磁性体が固定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電磁継電器。
5. 前記箱部品内部の空間には真空化もしくはガス注入を施さないことを特徴とする請求項４に記載の電磁継電器。

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