JP2016035807A - 開閉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流の向きに関係なく、また装置を大型化することなく遮断信頼性の高い開閉装置を得る。
【解決手段】開閉装置１００は、消弧室１３のアーク伸張空間部に、磁石４と、磁石４の一方の磁極面に接合された吸引棒５を配置することにより、電流の向きに関係なく、固定接触子１と可動接触子２の間で発生したアークを吸引棒５の側面に沿って磁石４の方向へ伸張することができるため、高い遮断性能が得られる。また、磁石４および吸引棒５の少なくとも一部を絶縁性の筐体１０で覆うことにより、アークを圧縮して内部の抵抗を高めることができ、消弧性能がさらに向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流を遮断するスイッチ、開閉器、遮断器、電磁接触器、および継電器等を含む開閉装置に関する。

従来、開閉装置においては、接点間に発生したアークを引き伸ばしてアーク抵抗を高め、アーク電圧を高電圧化して電流を遮断している。特に直流用開閉装置では、電源電圧よりアーク電圧を高くし、電流零点を発生させて遮断する必要があるため、アークを引き伸ばす技術は重要である。特許文献１では、永久磁石の磁力線をアークに鎖交させ、アークにローレンツ力を作用させることにより、アークを引き伸ばしている。

特開２００９−８７９１８号公報

上記のような開閉装置においては、通電方向が逆になるとアークの駆動方向が逆転するため、遮断信頼性が低下するという問題がある。また、アークが逆方向に駆動した場合でも遮断できるように消弧空間を拡げると、装置が大型化する。

また、上記のような開閉装置では、アークに所望のローレンツ力を作用させるために、ローレンツ力の作用面に対して一様な方向の磁力線を作用させる必要がある。アークに対して一様な方向の磁力線を鎖交させるためには、ローレンツ力の作用面よりも永久磁石の磁極面を大きくしなければならず、磁石の大型化によるコスト上昇および装置の大型化という問題が発生する。

また、従来の永久磁石を搭載した開閉装置の多くは、アークを永久磁石の磁極面より外側まで引き伸ばしているが、永久磁石の磁極面に対向しないアークには磁気駆動作用が働き難くなる。さらに、永久磁石の磁極面に対向しない箇所に位置するアークに対しては、永久磁石から生成される磁力線が予期しない向きのローレンツ力を生じさせるため、遮断の信頼性が低下し、最悪の場合は遮断不能となる問題がある。

一方、永久磁石からの磁力線を永久磁石の磁極面より外側まで形成させる手段として、磁気ヨークを用いることがある。しかし、永久磁石からの磁力線によって生じるローレンツ力は、電流の向きが変わると逆方向に作用するため、逆接接続すると遮断が困難となり事故の原因となる。このような事故を避けるためには、電流の向きが逆転してアークが逆方向に動いても十分に伸張できる磁気ヨークを搭載しなければならず、装置が大型化するという問題がある。

本発明は、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、電流の向きに関係なく、また装置を大型化することなく、遮断信頼性の高い開閉装置を得ることを目的とする。

本発明に係る開閉装置は、固定接点を有する固定接触子、可動接点を有する可動接触子、固定接点と可動接点との開閉動作を行う開閉機構部、固定接点と可動接点の開離時に固定接触子と可動接触子の間で発生するアークを伸張させる磁界を発生させる磁石、一方の端部が磁石の磁極面に接合され他方の端部がアークの発生領域に近接して配置される長尺状の磁性体を備え、固定接触子、可動接触子、磁石および磁性体は、絶縁性の筐体の内部に配置され、磁石および磁性体のいずれか一方または両方の少なくとも一部は、筐体で覆われているものである。

本発明によれば、固定接触子と可動接触子の間で発生したアークを磁性体の側面に沿って磁石の方向へ向かって伸張することができると共に、磁石および磁性体のいずれか一方または両方の少なくとも一部を覆う絶縁性の筐体によりアークを圧縮しアーク内部の抵抗を高めることができるため、電流の向きに関係なく、また装置を大型化することなく、消弧性能を向上させることができ、遮断信頼性の高い開閉装置を得ることが可能である。

本発明の実施の形態１に係る開閉装置の消弧室の要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る開閉装置のアークの消弧動作を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る開閉装置の消弧室の要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る開閉装置の消弧室の要部を示す断面図である。

実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る開閉装置について、図面に基づいて説明する。図１（ａ）は、本実施の形態１に係る開閉装置の開極状態における消弧室の要部構成を示す側断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）中、Ｂ−Ｂ’で示す部分の断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）中、Ｃ−Ｃ’で示す部分の断面図である。なお、各図において、同一部分には同一符号を付している。

図１（ａ）に示すように、本実施の形態１に係る開閉装置１００は、固定接点１ａを有する固定接触子１と、固定接点１ａに接離する可動接点２ａを有し回動可能に設けられた可動接触子２を備えている。固定接点１ａと可動接点２ａとの開閉動作は、開閉機構部３のハンドル３ａによって行われる。

また、開閉装置１００は、固定接点１ａと可動接点２ａの開離時に固定接触子１と可動接触子２の間で発生するアークを伸張させる磁界を発生させる磁石４と、長尺状の磁性体である吸引棒５を備えている。吸引棒５の一方の端部５ａは、磁石４の磁極面に接合されており、他方の端部５ｂはアークの発生領域に近接して配置される。吸引棒５の形状は特に限定されるものではなく、円筒状、直方体状、または多角柱状等であっても良い。

固定接触子１、可動接触子２、磁石４および吸引棒５等の消弧部品と開閉機構部３の一部は、絶縁性の筐体１０の内部に配置され、開閉装置１００の外部と隔離されている。筐体１０は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、ケース１０ａとケースカバー１０ｂから構成される。ケース１０ａ内部の所定位置に消弧部品を配置、固定した後、ケースカバー１０ｂで蓋をする。なお、ケース１０ａとケースカバー１０ｂの材質は、いずれも絶縁性であるが同じである必要はなく、開閉装置１００の仕様に応じて決定される。例えばケースカバー１０ｂの材料として、低コスト材料や高強度材料を用いることができる。

筐体１０の両端部には、外部の電力回路と接続される固定側端子部１１および可動側端子部１２が設置される。固定接触子１は固定側端子部１１と一体的に形成され、可動接触子２は、開閉機構部３および可とう導体７を介して可動側端子部１２に接続されている。

また、筐体１０内部の下方には、アークを消弧するための消弧室１３（図１（ａ）中、点線で囲んだ部分）が設けられる。消弧室１３は、吸引棒５が設置されるアーク伸張空間部を備えており、吸引棒５の端部５ｂはアークの発生領域に近接して配置される。消弧室１３に設置された磁石４は、固定接点１ａと可動接点２ａとの開離時に固定接触子１と可動接触子２の間で発生するアーク（図１（ａ）中、Ａで示す）を伸張させるための磁界を発生させる。

磁石４の一方の磁極面には、吸引棒５の一方の端部５ａが面接合により固定されている。また、磁石４の他方の磁極面には、磁性体からなる磁気補強板６が設けられている。固定接触子１と可動接触子２の間で発生したアークは、磁石４により発生した磁界によって吸引棒５の側面の長手方向に沿って磁石４の方向に向かって伸張される。

さらに、本実施の形態１に係る開閉装置１００は、磁石４および吸引棒５のいずれか一方または両方の少なくとも一部が、筐体１０で覆われるように配置される。図１に示す例では、磁石４および吸引棒５の下面はケース１０ａで覆われ、磁石４の側面および吸引棒５の側面の一部はケース１０ａとケースカバー１０ｂで覆われている。なお、磁石４および吸引棒５の筐体１０で覆われている部分は、筐体１０と接触していても良いし、接触していなくても良い。

本実施の形態１に係る開閉装置１００におけるアークの消弧動作について、図２を用いて説明する。図２（ａ）〜図２（ｅ）は、永久磁石４１および吸引棒５を備えた開閉装置におけるアークの消弧に至る進展段階を５段階で示している。図２において、吸引棒５の一方の端部は、Ｎ極を持つ永久磁石４１の磁極面に面接合されている。ここでは永久磁石４１を用いているが、磁石４を用いた場合の消弧動作も同様である。

なお、図２に示すモデルでは、吸引棒５は絶縁カバー５ｃで覆われており、絶縁カバー５ｃは、紙面手前に通電方向を持つアークの発生領域に対向するように設けられている。本実施の形態１に係る開閉装置１００においては、吸引棒５は絶縁カバー５ｃの代わりに絶縁性の筐体１０で覆われており、絶縁カバー５ｃと同様の作用を筐体１０により得るものである。

図２（ａ）に示す消弧の進展段階においては、永久磁石４１から発生する磁力線Ｍが吸引棒５により誘導され、吸引棒５の先端からアークに向かって、アークへの鎖交磁場が発生するようになる。図中、Ａはアークおよびその電流方向を示している。鎖交磁場によりアークにローレンツ力（図中、矢印Ｌで示す）が作用し、アークは図２の下側方向に駆動される。

続いて、図２（ｂ）に示す消弧の進展段階において、図２（ａ）の段階で駆動されたアークに、吸引棒５の先端から永久磁石４１のＳ極側に回り込むように形成される磁力線Ｍが鎖交するようになる。この鎖交磁場により吸引棒５の長手方向の側面部分に拡がるアーク伸張空間にアークは引きこまれる。

次に、図２（ｃ）に示す消弧の進展段階において、アーク伸張空間に引きこまれたアークは、吸引棒５の側面から法線上に発生する磁力線Ｍにより、さらに永久磁石４１の方向（図中、右側）に引きこまれる。アークが引きこまれるほど、吸引棒５の側面から発生する磁場強度が高まり、アークは吸引棒５からの脱離が困難となるため、アークを安定して永久磁石４１の方向に伸張させることができる。また、永久磁石４１の方向に引きこまれたアークに鎖交する磁力線には、永久磁石４１のＳ極側に回り込む磁力線が多く含まれるようになり、この右側方向の磁力線による鎖交磁場はアークを吸引棒５の内側に引き寄せ
る力を引き起す。

続いて、図２（ｄ）に示す消弧の進展段階において、吸引棒５を保護する絶縁カバー５ｃに近接したアークには、さらに強い力で吸引棒５の内側に押し込むローレンツ力が作用するようになる。これによりアークは、絶縁カバー５ｃに向かって圧縮され、アーク内部の抵抗が急激に高まる。

最後に、図２（ｅ）に示す消弧の進展段階において、絶縁カバー５ｃの一部に図に示すような凹状の細隙５ｄを設けた場合には、吸引棒５の内側に押し込むローレンツ力により細隙５ｄ内にアークが引き込まれアークが細く収縮するようになる。さらに、絶縁カバー５ｃを溶発性の樹脂材料で形成した場合には、収縮したアークの周囲から絶縁カバー５ｃによる溶発ガスが吹き付けられ、アーク内部でその導電性を維持できなくなるまで抵抗が高まり、消弧に至る。

なお、図２において、通電方向が逆の場合、または永久磁石４１の磁極面の向きが逆の場合であっても、それぞれの消弧の進展段階において吸引棒５の軸で対称となるようにアークが伸張され、同様の効果が得られる。永久磁石４１を用いた場合、アークに一定磁束を作用することができるため、通電導体から発生する磁束が例えば１ｋＡ未満の弱い電流領域であっても安定した遮断を行うことができる。

また、磁石４あるいは永久磁石４１の代わりに、吸引棒５の一部を電磁石として使用することもできる。固定接触子１および可動接触子２の一方、または外部電源のいずれかと電気的に接続されたコイル状の導体を、吸引棒５の一部に巻き付けることにより、吸引棒５の一部が電磁石となる。このような電磁石を使用した場合においても同様に、アークを消弧することができる。

なお、永久磁石４１を使用した場合と、電磁石を使用した場合とでは、効果が最も発揮される電流範囲が異なる。永久磁石４１を使用する場合は、上述のように、例えば１ｋＡ未満の比較的弱い電流領域で効果を発揮するのに対し、電磁石を使用する場合は、導体に流れる電流から発生する磁束が大きくなる例えば１ｋＡ以上の比較的大きい電流領域で効果を発揮する。

以上のように、本実施の形態１に係る開閉装置１００は、消弧室１３のアーク伸張空間部に、磁石４と、磁石４の一方の磁極面に接合された吸引棒５を配置し、固定接触子１と可動接触子２の間で発生したアークを吸引棒５の側面に沿って磁石４の方向へ伸張するようにしたので、電流の向きに関係なく、アークを急速に冷却することができる。また、磁石４の他方の磁極面に、磁性体からなる磁気補強板６を設けることにより、吸引棒５を介して磁石４の周囲を周回する磁力線が形成する磁気回路の磁気抵抗が低下するため、吸引棒５の表面から発生する磁場強度が高まり、消弧性能が向上する。

また、磁石４および吸引棒５の少なくとも一部を絶縁性の筐体１０で覆うことにより、アークを圧縮しアーク内部の抵抗を高めることができるため、消弧性能がさらに向上する。なお、本実施の形態１では、磁石４および吸引棒５の一部が筐体１０で覆われている例を示したが、磁石４および吸引棒５のいずれか一方のみが筐体１０で覆われている場合でも同様の効果が得られる。例えば磁石４だけが筐体１０で覆われている場合であっても、アークは最終的に磁石４の側面まで伸張されるため、筐体１０による圧縮効果および冷却効果が得られる。

本実施の形態１に係る開閉装置１００によれば、電流の向きに関係なく、また、磁石の大型化や消弧空間の拡大により装置を大型化することなく、消弧性能を向上させることができ、高い遮断信頼性を確保することが可能である。また、比較的小さい磁石でもアークを吸引するための磁力線を生成することができるため、磁石の配置が容易であると共に低コストで製造することができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る開閉装置の開極状態における消弧室の要部構成を示す側断面図である。なお、図３中、図１と同一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。本実施の形態２に係る開閉装置１００Ａは、上記実施の形態１に係る開閉装置１００と同様の構成を有し、さらに、ケース１０ａのアークの発生領域に対向する部分に、凹凸部８を有するものである。これにより、筐体１０によるアーク圧縮範囲がさらに拡張され、アークの伸張量が増加し、アーク冷却効率が向上する。

なお、図３では、ケース１０ａのアーク発生領域に対向する部分に凹凸部８を設けたが、凹凸部８をケースカバー１０ｂに設けても良い。本実施の形態２によれば、上記実施の形態１よりもさらに遮断性能が向上する。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る開閉装置の開極状態における消弧室の要部構成を示す側断面図である。なお、図４中、図１と同一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。本実施の形態３に係る開閉装置１００Ｂは、上記実施の形態２に係る開閉装置１００Ａと同様の構成を有し、さらに、筐体１０のアークの発生領域の近傍に、排気口９を有するものである。

なお、図４に示す開閉装置１００Ｂは、ケース１０ａに凹凸部８を有しているが、凹凸部８を設けず排気口９だけを設けても良い。排気口９を設けることにより、排気口９の周囲でガス流が生じるため、このガス流を利用してアークを伸張させることができる。また、電流遮断時に発生する金属煤または炭化煤等を、排気口９から外部に放出することができるため、耐電圧性能の劣化を抑制することができる。

本実施の形態３によれば、上記実施の形態２よりもアークを伸張させやすくなり、遮断性能がさらに向上する。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

本発明は、電流を遮断するスイッチ、開閉器、遮断器、電磁接触器、および継電器等を含む開閉装置として利用することができる。

１ 固定接触子、１ａ 固定接点、２ 可動接触子、２ａ 可動接点、
３ 開閉機構部、３ａ ハンドル、４ 磁石、５ 吸引棒、５ａ、５ｂ 端部、
５ｃ 絶縁カバー、５ｄ 細隙、６ 磁気補強板、７ 可とう導体、８ 凹凸部、
９ 排気口、１０ 筐体、１０ａ ケース、１０ｂ ケースカバー、
１１ 固定側端子部、１２ 可動側端子部、１３ 消弧室、４１ 永久磁石、
１００、１００Ａ、１００Ｂ 開閉装置。

Claims (5)

1. 固定接点を有する固定接触子、可動接点を有する可動接触子、前記固定接点と前記可動接点との開閉動作を行う開閉機構部、前記固定接点と前記可動接点の開離時に前記固定接触子と前記可動接触子の間で発生するアークを伸張させる磁界を発生させる磁石、一方の端部が前記磁石の磁極面に接合され他方の端部がアークの発生領域に近接して配置される長尺状の磁性体を備え、
   前記固定接触子、前記可動接触子、前記磁石および前記磁性体は、絶縁性の筐体の内部に配置され、前記磁石および前記磁性体のいずれか一方または両方の少なくとも一部は、前記筐体で覆われていることを特徴とする開閉装置。
2. 前記磁石および前記磁性体の前記筐体で覆われている部分は、前記筐体と接触していることを特徴とする請求項１記載の開閉装置。
3. 前記磁石および前記磁性体の前記筐体で覆われている部分は、前記筐体と接触していないことを特徴とする請求項１記載の開閉装置。
4. 前記筐体は、アークの発生領域に対向する部分に凹凸を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の開閉装置。
5. 前記筐体は、アークの発生領域の近傍に排気口を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の開閉装置。