JP5990091B2 - 電磁開閉器 - Google Patents

Description

本発明は、所定間隔を保って配置された一対の固定接触子と、これら固定接触子に接離可能に配置された可動接触子とを有する電磁開閉器に関する。

電流路の開閉を行う電磁開閉器として、例えば、特許文献１に記載されているように、所定距離だけ離間して配設されたそれぞれ固定接点を有する一対の固定接触子と、これら一対の固定接触子に接離自在に配設された左右端に可動接点を有する可動接触子と、可動接触子を駆動する電磁石装置とで構成される電磁開閉器が提案されている。この電磁開閉器は、電磁石装置が上端面を開放した断面Ｕ字状の磁気ヨークと、この磁気ヨークの開放端面を覆う上部磁気ヨークと、励磁コイルによって上下動される可動鉄心と、可動鉄心と前記可動接触子とを上部磁気ヨークに形成した貫通孔を通じて連結する連結軸とを備えている。

特開２０１２−３８６８４号公報

ところで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、上面磁気ヨークと可動鉄心とが可動鉄心の全面が上面磁気ヨークの接極面に対向する接極面とされている。このため、保持状態において接極面の接極面積Ｓが大きくなることにより、磁束密度Ｂは減少することになる。
また、電磁石ユニットの吸引力Ｆは、
Ｆ∝Ｂ^２・Ｓ …………（１）
で表される。

したがって、上記従来例では、上面磁気ヨークと可動鉄心との接触面積が大きくなることにより、磁束密度Ｂが減少することになって、電磁石ユニットの吸引力Ｆが低下する。
この吸引力Ｆの低下は、保持力が小さくなることを意味し、接点部負荷力を抑え込むには、保持電流を上げる必要がある。しかしながら、保持電流が大きいということは消費電力や発熱の面で不利になるという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、保持電流を上げることなく接点部負荷力を抑えることができる電磁開閉器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る電磁開閉器の第１の態様は、接点収納ケース内に所定間隔を保って固定配置された一対の固定接触子と、前記接点収納ケース内に前記一対の固定接触子に対して接離可能に配設された可動接触子と、前記可動接触子を前記一対の固定接触子に対して接離させる電磁石ユニットとを備えている。そして、前記電磁石ユニットは、励磁コイルを囲む磁気ヨークと、該磁気ヨークに設けられた貫通孔を通じて可動可能に配設され、前記磁気ヨークの接極面と対向する接極面を有する可動プランジャと、該可動プランジャと前記可動接触子とを連結する連結軸とを有する。さらに、前記可動プランジャの接極面を、前記磁気ヨークとの対向面より狭い幅で磁束密度を増加させる環状凸部で構成した。
また、本発明の電磁開閉器の第２の態様は、前記環状凸部は円環状に形成されている。
また、本発明の電磁開閉装置の第３の態様は、前記環状凸部は、前記可動プランジャに形成した周鍔部の外周側に形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、可動プランジャの磁気ヨークの接極面に対向する接極面に幅狭の環状凸部を形成したので、可動プランジャと磁気ヨークとの接極面の接触面積を小さくすることができ、環状凸部と磁気ヨークとの間の磁束密度を大きくして吸引力を大幅に向上させることができる。

本発明に係る電磁開閉器の第１の実施形態を示す断面図である。 電磁石ユニットの分解斜視図である。 可動プランジャを示す斜視図である。 可動プランジャの断面図である。 本発明による上部磁気ヨークの接極面を示す説明図である。 ストロークと吸引力との関係を示す特性線図である。 比較例の上部磁気ヨークの接極面を示す平面図である。 本発明の接点装置の変形例を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図である。 本発明の接点装置の他の変形例を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る電磁開閉器を電磁接触器に適用した場合の第１の実施形態を示す断面図、図２は電磁石ユニットの分解斜視図である。
これら図１及び図２において、１０は電磁接触器であり、この電磁接触器１０は接点機構を配置した接点装置１００と、この接点装置１００を駆動する電磁石ユニット２００とで構成されている。

接点装置１００は、図１及び図２から明らかなように、接点機構１０１を収納する消弧室としての接点収納ケース１０２を有する。この接点収納ケース１０２は、金属製の下端部に外方と突出するフランジ部１０３を有する金属角筒体１０４と、この金属角筒体１０４の上端を閉塞する平板状のセラミック絶縁基板で構成される天板となる固定接点支持絶縁基板１０５とを備えている。

金属角筒体１０４は、そのフランジ部１０３が後述する電磁石ユニット２００の上部磁気ヨーク２１０にシール接合されて固定されている。
また、固定接点支持絶縁基板１０５には、中央部に後述する一対の固定接触子１１１及び１１２を挿通する貫通孔１０６及び１０７が所定間隔を保って形成されている。この固定接点支持絶縁基板１０５の上面側における貫通孔１０６及び１０７の周囲及び下面側における金属角筒体１０４に接触する位置にメタライズ処理が施されている。

接点機構１０１は、図１に示すように、接点収納ケース１０２の固定接点支持絶縁基板１０５の貫通孔１０６及び１０７に挿通されて固定された一対の固定接触子１１１及び１１２を備えている。これら固定接触子１１１及び１１２のそれぞれは、固定接点支持絶縁基板１０５の貫通孔１０６及び１０７に挿通される上端に外方に突出するフランジ部１１３を有する支持導体部１１４と、この支持導体部１１４に連結されて固定接点支持絶縁基板１０５の下面側に配設され内方側を開放したＣ字状の接点導体部１１５とを備えている。

接点導体部１１５は、固定接点支持絶縁基板１０５の下面に沿って外側に延長する第２の連結板部としての上板部１１６とこの上板部１１６の外側端部から下方に延長する連結板部としての中間板部１１７と、この中間板部１１７の下端側から上板部１１６と平行に内方側すなわち固定接触子１１１及び１１２の対面方向に延長する接点板部としての下板部１１８とを備えている。このため、接点導体部１１５は、中間板部１１７及び下板部１１８で形成されるＬ字状部に上板部１１６を加えたＣ字状に形成されている。

ここで、支持導体部１１４と接点導体部１１５とは、支持導体部１１４の下端面に突出形成されたピン１１４ａを接点導体部１１５の上板部１１６に形成された貫通孔１２０内に挿通した状態で例えばろう付けによって固定されている。なお、支持導体部１１４及び接点導体部１１５の固定は、ろう付けに限らず、ピン１１４ａを貫通孔１２０に嵌合させたり、ピン１１４ａに雄ねじを形成し、貫通孔１２０に雌ねじを形成して両者を螺合させたりしてもよい。

また、固定接触子１１１及び１１２の接点導体部１１５における中間板部１１７の内側面を覆うように、平面から見てＣ字状の磁性体板１１９が装着されている。このように、中間板部１１７の内側面を覆うように磁性体板１１９を配置することにより、中間板部１１７を流れる電流によって発生する磁場をシールドすることができる。
この磁性体板１１９は、中間板部１１７の周囲を覆うように形成してもよく、中間板部１１７に流れる電流による磁場をシールドできればよい。

さらに、固定接触子１１１及び１１２の接点導体部１１５にそれぞれ、アークの転流を規制する合成樹脂材製の絶縁カバー１２１が装着されている。
このように、固定接触子１１１及び１１２の接点導体部１１５に絶縁カバー１２１を装着することにより、この接点導体部１１５の内周面では下板部１１８の内側の上面側のみが露出されて接点部とされている。

そして、固定接触子１１１及び１１２の接点導体部１１５内に両端部を配置するように可動接触子１３０が配設されている。この可動接触子１３０は後述する電磁石ユニット２００の可動プランジャ２１５に固定された連結軸１３１に支持されている。この可動接触子１３０は、図１に示すように、中央部の連結軸１３１の近傍が下方に突出する凹部１３２が形成され、この凹部１３２に連結軸１３１を挿通する貫通孔１３３が形成されている。

連結軸１３１は、上端に外方に突出するフランジ部１３１ａが形成されている。この連結軸１３１に下端側から接触スプリング１３４に挿通し、次いで可動接触子１３０の貫通孔１３３を挿通して、接触スプリング１３４の上端をフランジ部１３１ａに当接させこの接触スプリング１３４で所定の付勢力を得るように可動接触子１３０を例えばＣリング１３５によって位置決めする。

この可動接触子１３０は、釈放状態で、両端の平坦部１３０ａと固定接触子１１１及び１１２の接点導体部１１５の下板部１１８の平坦部１１８ａとが所定間隔を保って離間した状態となる。また、可動接触子１３０は、投入位置で、両端の接点部が固定接触子１１１及び１１２の接点導体部１１５の下板部１１８の平坦部１１８ａに、接触スプリング１３４による所定の接触圧で接触するように設定されている。

さらに、接点収納ケース１０２の金属角筒体１０４の内周面には、図１に示すように、底板部１４０ａとこの底板部１４０ａの上面に形成された角筒体１４０ｂとで有底角筒状に形成された絶縁筒体１４０が配設されている。この絶縁筒体１４０は例えば合成樹脂製で底板部１４０ａ及び角筒体１４０ｂが一体成形されている。
電磁石ユニット２００は、図１及び図２に示すように、側面から見て扁平なＵ字形状の磁気ヨーク２０１を有し、この磁気ヨーク２０１の底板部２０２の中央部に円筒状補助ヨーク２０３が固定されている。この円筒状補助ヨーク２０３の外側にスプール２０４が配置されている。

このスプール２０４は、円筒状補助ヨーク２０３を挿通する中央円筒部２０５と、この中央円筒部２０５の下端部から半径方向外方に突出する下フランジ部２０６と、中央円筒部２０５の上端から半径方向外方に突出する上フランジ部２０７とで構成されている。そして、中央円筒部２０５、下フランジ部２０６及び上フランジ部２０７で構成される収納空間に励磁コイル２０８が巻装されている。
そして、磁気ヨーク２０１の開放端となる上端間に上部磁気ヨーク２１０が固定されている。この上部磁気ヨーク２１０は、図５に示すように、中央部にスプール２０４の中央円筒部２０５に対向する貫通孔２１０ａが形成されて、これら貫通孔２１０ａの周囲の上面側が接極面２１０ｂとされている。

そして、スプール２０４の中央円筒部２０５内に、底部と磁気ヨーク２０１の底板部２０２との間に復帰スプリング２１４を配設した可動プランジャ２１５が上下に摺動可能に配設されている。この可動プランジャ２１５には、上部磁気ヨーク２１０から上方に突出する上端部に半径方向外方に突出する周鍔部２１６が形成されている。この周鍔部２１６の上部磁気ヨーク２１０と対向する下面には、図３及び図４に示すように、外周側に例えば０．数ｍｍ程度の高さＨで下方に突出する円環状凸部２１６ａが形成されている。この円環状凸部２１６の下面が接極面２１６ｂとされている。

このため、上部磁気ヨーク２１０の貫通孔２１０ａの周囲に形成される可動プランジャ２１５の接極面と接触する接極面２１０ｂが図５に示すように貫通孔２１０ａの外側に所定幅で形成される。
このように、可動プランジャ２１５の接極面２１６ｂと上部磁気ヨーク２１０の接極面２１０ｂの表面積が小さく設定されているので、後述するよう励磁コイル２０８を励磁したときに可動プランジャ２１５の接極面２１６ｂから上部磁気ヨーク２１０の接極面に向かう磁束の磁束密度を高めることができる。

そして、励磁コイル２０８を励磁したときの上部磁気ヨーク２１０の吸引力Ｆは、前述した（１）式のように、接極面の磁束密度をＢとし、接極面積をＳとすると、Ｆ∝Ｂ^２・Ｓで表されるので、接極面積の減少分より磁束密度Ｂの増加分が二乗で効いてくるので、吸引力Ｆを大幅に増加させることができる。これにより、可動プランジャ２１５に対して十分な保持力を確保することができる。

また、上部磁気ヨーク２１０の上面に、例えば外形が方形で円形の中心開口２２１を有して環状に形成された永久磁石２２０が可動プランジャ２１５の周鍔部２１６を囲むように固定されている。この永久磁石２２０は上下方向すなわち厚み方向に上端側を例えばＮ極とし、下端側をＳ極とするように着磁されている。
そして、永久磁石２２０の上端面に、永久磁石２２０と同一外形で可動プランジャ２１５の周鍔部２１６の外径より小さい内径の貫通孔２２４を有する補助ヨーク２２５が固定されている。この補助ヨーク２２５の下面に可動プランジャ２１５の周鍔部２１６が当接されている。

なお、永久磁石２２０の形状は上記に限定されるものではなく、円環状状に形成することもでき、要は内周面が周鍔部２１６の形状に合わせた形状であれば外形は円形、多角形等の任意形状とすることができる。
また、可動プランジャ２１５の上端面には可動接触子１３０を支持する連結軸１３１が螺着されている。

そして、可動プランジャ２１５が非磁性体製で有底筒状に形成されたキャップ２３０で覆われ、このキャップ２３０の開放端に半径方向外方に延長して形成されたフランジ部２３１が上部磁気ヨーク２１０の下面にシール接合されている。これによって、接点収納ケース１０２及びキャップ２３０が上部磁気ヨーク２１０の貫通孔２１０ａを介して連通される密封容器が形成されている。そして、接点収納ケース１０２及びキャップ２３０で形成される密封容器内に水素ガス、窒素ガス、水素及び窒素の混合ガス、空気、ＳＦ_６等のガスが封入されている。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
今、固定接触子１１１が例えば大電流を供給する電力供給源に接続され、固定接触子１１２が負荷に接続されているものとする。
この状態で、電磁石ユニット２００における励磁コイル２０８が非励磁状態にあって、電磁石ユニット２００で可動プランジャ２１５を下降させる励磁力を発生していない釈放状態にあるものとする。

この釈放状態では、可動プランジャ２１５が復帰スプリング２１４によって、上部磁気ヨーク２１０から離れる上方向に付勢される。これと同時に、永久磁石２２０の磁力による吸引力が補助ヨーク２２５に作用されて、可動プランジャ２１５の周鍔部２１６が吸引される。このため、可動プランジャ２１５の周鍔部２１６の上面が補助ヨーク２２５の下面に当接している。

このため、可動プランジャ２１５に連結軸１３１を介して連結されている接点機構１０１の可動接触子１３０の接点部となる平坦部１３０ａが固定接触子１１１及び１１２の接点部となる平坦部１１８ａから上方に所定距離だけ離間している。したがって、固定接触子１１１及び１１２間の電流路が遮断状態にあり、接点機構１０１が開極状態となっている。
このように、釈放状態では、可動プランジャ２１５に復帰スプリング２１４による付勢力と環状永久磁石２２０による吸引力との双方が作用しているので、可動プランジャ２１５が外部からの振動や衝撃等によって不用意に下降することがなく、誤動作を確実に防止することができる。

この釈放状態から、負荷に電力を供給するには、電磁石ユニット２００の励磁コイル２０８を励磁し、電磁石ユニット２００で励磁力を発生させて、可動プランジャ２１５から周鍔部２１６を通り、この周鍔部２１６の下面に形成された円環状凸部２１６ａの下面の接極面２１６ｂから上部磁気ヨーク２１０の接極面２１０ｂを通り、さらに上部磁気ヨーク２１０の左右端部から磁気ヨーク２０１を通り、補助ヨーク２０３を通って可動プランジャ２１５に至る磁路が形成される。

この磁路によって互いに対向している可動プランジャ２１５の接極面２１６ｂが上部磁気ヨーク２１０の接極面２１０ｂによって吸引され、可動プランジャ２１５が復帰スプリング２１４の付勢力及び環状永久磁石２２０の吸引力に抗して下降される。この可動プランジャ２１５の下降が、周鍔部２１６の下面が上部磁気ヨーク２１０の上面に当接することにより停止される。

そして、可動プランジャ２１５が下降することにより、可動プランジャ２１５に連結軸１３１を介して連結されている可動接触子１３０も下降し、その平坦部１３０ａが固定接触子１１１及び１１２の平坦部１１８ａに接触スプリング１３４の接触圧で接触する。
このため、外部電力供給源の大電流が固定接触子１１１、可動接触子１３０、及び固定接触子１１２で構成される主回路を通じて負荷に供給される閉極状態となる。

このとき、可動プランジャ２１５の接極面２１６ｂが円環状凸部２１６ａの下面に形成されており、接極面積Ｓは小さくなるが磁束密度Ｂは増加することになり、前述した（１）式によって、吸引力Ｆを増加させることができる。このため、可動接触子１３０が固定接触子１１１及び１１２に接触している閉極時に可動プランジャ２１５を十分な保持力で保持することができる。

このため、保持状態における接極面積を小さく設定することにより、この接極面での磁束密度を高めることができ、図６に示すように、可動プランジャ２１５のストロークが“０”近傍の閉極時におけるＡ点の吸引力（保持力）を実線図示のように大きくすることができる。このとき、励磁コイル２０８の保持電流は二点鎖線図示の接点部負荷力を抑え込むために増加させる必要がなく、消費電力の増加や発熱の増加を抑制して確実な保持力を確保することができる。

ちなみに、可動プランジャ２１５の周鍔部２１６の下面に円環状凸部２１６ａを設けない比較例の場合には、周鍔部２１６の下面の広い面積が接極面となる。このため、上部磁気ヨーク２１０の接極面２１０ｂが、図７に示すように、貫通孔２１０ａの縁まで広がることになり、接極面積Ｓが増加するが、この分磁束密度Ｂは減少することになる。したがって、比較例の場合には、上部磁気ヨーク２１０による吸引力Ｆは減少することになり、図６で点線図示のように閉極時のＡ点における吸引力が本実施形態に比較して減少することなる。このため、確実な保持力を確保するためには、二点鎖線図示の接点部負荷力を抑え込むために、励磁コイル２０８の保持電流を増加させる必要があり、消費電力が増加するとともに発熱も増加することになるという問題点が発生する。

しかしながら、本実施形態によると、上述したように、可動プランジャ２１５の下面に形成した幅狭の円環状凸部２１６ａの下面を接極面とすることにより、接極面積Ｓを減少させて磁束密度Ｂを増加させることにより、上部磁気ヨーク２１０による吸引力を増加させることができるので、上記問題点を解決することができる。
このように、上記実施形態によれば、可動プランジャ２１５の周鍔部２１６の下面に接極面積を周鍔部２１６の全表面積より小さくする円環状凸部２１６ａを形成したので、円環状凸部２１６ａと上部磁気ヨーク２１０の表面との接極面積を小さくし、この分磁束密度を増加させることができる。この結果、前記（１）式にしたがって、上部磁気ヨーク２１０による吸引力Ｆを増加させることができる。しかも、この吸引力を増加させるために励磁コイル２０８の保持電流を増加させる必要がないので、消費電力の増加や発熱の増加を確実に防止することができる。

なお、上記実施形態においては、可動プランジャ２１５が円筒状に形成され、周鍔部２１６が円板状に形成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、周鍔部２１６の外形形状は四角形、五角形、六角形等の多角形に形成することができ、これに応じて円環状凸部２１６ａも任意の角筒形状とすることができ、要は環状の凸部であればよい。また、可動プランジャ２１５の形状も円筒状に限るものではなく、任意の角筒状に形成することができる。これに応じて上部磁気ヨーク２１０の貫通孔２１０ａの形状を変更すればよい。

また、上記実施形態においては、接点収納ケース１０２を金属角筒体１０４と、この金属角筒体１０４の上端を閉塞する固定接点支持絶縁基板１０５とをろう付けして形成する場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、セラミック、合成樹脂材等の絶縁材で桶状に一体形成するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、固定接触子１１１及び１１２にＣ字状の接点導体部１１５を形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、支持導体部１１４に接点導体部１１５における上板部１１６を省略した形状となるＬ字状部１６０を連結するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、可動接触子１３０が中央部に凹部１３２を有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、凹部１３２を省略して平板状に形成するようにしてもよい。要は、接点機構１０１の構成に任意の構成とすることができる。
また、上記実施形態においては、可動プランジャ２１５に連結軸１３１を螺合させる場合について説明したが、可動プランジャ２１５と連結軸１３１とを一体に形成するようにしてもよい。

また、連結軸１３１と可動接触子１３０との連結が、連結軸１３１の先端部にフランジ部１３１ａを形成し、接触スプリング１３４及び可動接触子１３０を挿通してから可動接触子１３０の下端をＣリングで固定する場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、連結軸１３１のＣリング位置に半径方向に突出する位置決め大径部を形成し、これに可動接触子１３０を当接させてから接触スプリング１３４を配置し、この接触スプリング１３４の上端をＣリングによって固定するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、接点収納ケース１０２及びキャップ２３０で密封容器を構成し、この密封容器内にガスを封入する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、遮断する電流が低い場合にはガス封入を省略するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態においては、本発明を電磁接触器に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、電磁継電器や他の電磁開閉器を含む任意の開閉器に本発明を適用することができる。

１０…電磁接触器、１００…接点装置、１０１…接点機構、１０２…接点収納ケース（消弧室）、１０４…金属角筒体、１０５…固定接点支持絶縁基板、１１１，１１２…固定接触子、１１４…支持導体部、１１５…接点導体部、１１６…上板部、１１７…中間板部、１１８…下板部、１２１…絶縁カバー、１３０…可動接触子、１３１…連結軸、１３４…接触スプリング、１４０…絶縁筒体、２００…電磁石ユニット、２０１…磁気ヨーク、２０３…円筒状補助ヨーク、２０４…スプール、２０８…励磁コイル、２１０…上部磁気ヨーク、２１０ａ…貫通孔、２１０ｂ…接極面、２１４…復帰スプリング、２１５…可動プランジャ、２１６…周鍔部、２１６ａ…円環状凸部、２１６ｂ…接極面、２２０…永久磁石、２２５…補助ヨーク

Claims (3)

1. 接点収納ケース内に所定間隔を保って固定配置された一対の固定接触子と、
   前記接点収納ケース内に前記一対の固定接触子に対して接離可能に配設された可動接触子と、
   前記可動接触子を前記一対の固定接触子に対して接離させる電磁石ユニットとを備え、
   前記電磁石ユニットは、励磁コイルを囲む磁気ヨークと、該磁気ヨークに設けられた貫通孔を通じて可動可能に配設され、前記磁気ヨークの接極面と対向する接極面を有する可動プランジャと、該可動プランジャと前記可動接触子とを連結する連結軸とを有し、
   前記可動プランジャの接極面を、前記磁気ヨークとの対向面より狭い幅で磁束密度を増加させる環状凸部で構成した
   ことを特徴とする電磁開閉器。
2. 前記環状凸部は円環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁開閉器。
3. 前記環状凸部は、前記可動プランジャに形成した周鍔部の外周側に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁開閉器。

Images