(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定接点を有する固定接触子と、
前記固定接触子に対向して設置され、可動接点を有する可動接触子と、
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と、
前記固定接点と前記可動接点との開離時に、前記固定接触子と前記可動接触子間で発生したアークを伸長させるための磁界を発生させる磁石と、
一端部が前記固定接触子と前記可動接触子との間のアーク発生領域に近接するように配置されると共に、他端部が前記磁石の一方の磁極面に接するように配置された磁性体と、
前記磁石と前記磁性体とを保護すると共に、前記アークが伸長するアーク伸長空間を前記アークの通電方向に対応する２つの空間に隔離する壁となる絶縁カバーと、を備え、
前記磁石は、前記アーク発生領域以外の領域に配置されていることを特徴とする開閉装置。
【請求項２】
前記磁性体は、前記アーク伸長空間を前記アークの通電方向に対応する２つの空間に隔てるように、前記他端部が拡大されていることを特徴とする請求項１に記載の開閉装置。
【請求項３】
前記絶縁カバーは、伸長時の前記アークを取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の開閉装置。
【請求項４】
前記絶縁カバーは、伸長時の前記アークが衝突または圧縮できるように、前記アーク伸長空間の中央部に突起部を設けていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の開閉装置。
【請求項５】
前記絶縁カバーは、樹脂材料であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電流を遮断するスイッチ、開閉器、遮断器、電磁接触器、継電器などの開閉装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
開閉装置では、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する。特に、ＤＣ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。
従来、一般的にアークを引き伸ばすには、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でアーク長を引き伸ばしている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−８７９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された従来の開閉装置は、アークを消弧するために消弧室に磁石を搭載した開閉装置において、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問題点があった。
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、消弧空間を拡げる手段もあるが、この手段では装置が大形化する問題がある。また、磁石の磁極面との対向面よりも外側まで駆動、伸長したアークには、磁気駆動作用が働きにくくなるだけでなく、磁石から生成される磁力線が予期しない向きの電磁力を引き起すため、遮断の信頼性が低下する。
こ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、このローレンツ力の作用面に対し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、この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、高コストな構成となり、配置スペースを確保することが困難となる。【０００５】
また、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、永久磁石から生成す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事故を引き起してしまう。従来の永久磁石を搭載した開閉装置では、アークは永久磁石の対向面より外側まで引き伸ばす場合がほとんどで、このような開閉装置では遮断の信頼性が乏しくなる。
さらにまた、永久磁石からの磁力線を永久磁石の対向面より外側でも形成させるため、磁気ヨークを用いることがあるが、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、この場合では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長できるアーク伸長空間と磁気ヨークを搭載しなければならず、開閉装置が大形化する問題があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、電流の向きに依らず小形磁石を用いた場合でも十分な遮断信頼性を確保できる開閉装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる開閉装置は、固定接点を有する固定接触子と、前記固定接触子に対向して設置され、可動接点を有する可動接触子と、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と、前記固定接点と前記可動接点との開離時に、前記固定接触子と前記可動接触子間で発生したアークを伸長させるための磁界を発生させる磁石と、一端部が前記固定接触子と前記可動接触子との間のアーク発生領域に近接するように配置されると共に、他端部が前記磁石の一方の磁極面に接するように配置された磁性体と、前記磁石と前記磁性体とを保護すると共に、前記アークが伸長するアーク伸長空間を前記アークの通電方向に対応する２つの空間に隔離する壁となる絶縁カバーと、を備え、前記磁石は、前記アーク発生領域以外の領域に配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明による開閉装置によれば、電流の向きに関係なく、接触子間に発生したアークを磁性体である吸引棒の側面に沿って磁石の方向へ駆動できる。この際、アークは、磁性体である吸引棒の側面に沿って駆動されながら磁石の方向に向かって走行、伸長するため、アークは急速に冷却される。これにより、逆極性の電流が流れた場合でも高い遮断信頼性を保ちつつ、安価で小形の開閉装置を得ることができる。また、アーク伸長空間をアークの通電方向に対応する２つの空間に隔離する壁となる絶縁カバーを設けたことで、一方のアーク伸長空間から、他方のアーク伸長空間への、アークのまわり込みを防止できるようになり、アークの安定した伸長が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１における開閉装置の開極状態を示す側断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ´線における断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における開閉装置のアークの消弧動作を説明するための説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２における開閉装置の開極状態を示す側断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３における開閉装置の開極状態を示す側断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ´線における断面図である。
【図７】この発明の実施の形態４における開閉装置の開極状態を示す側断面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ´線における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態１について説明する。なお、各図面において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。
図１は、この発明の実施の形態１における開閉装置の開極状態を概略的に示す側断面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ´線の断面図である。この発明の実施の形態１における開閉装置１００は、図１に示すように、固定接点１ａを有する固定接触子１と、可動接点２ａを有する可動接触子２と、固定接点１ａと可動接点２ａとの開閉動作を行う開閉機構部１０３とを備えている。また、開閉装置１００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間で発生したアークＡを伸長させるための磁界を発生させる磁石４を備えている。さらにまた、開閉装置１００は、一端部が固定接触子１と可動接触子２との間のアーク発生領域２０に近接するように配置されると共に、他端部が磁石４の一方の磁極面に接するように配置された長尺状の磁性体からなる吸引棒３を備えている。磁石４は、アーク発生領域２０以外の領域に配置されている。また、開閉装置１００は、磁石４と長尺状の磁性体からなる吸引棒３とを保護する絶縁カバー３ｃを備えている。絶縁カバー３ｃは、例えばナイロン等の樹脂材料で形成されている。ここで、アーク発生領域２０とは、図１における点線で囲った固定接触子１と可動接触子２間の空間を示す。
【００１０】
また、この発明の実施の形態１における開閉装置１００は、絶縁物からなるケース１０１によって構成された筐体の両端部に、外部の電力回路と接続される固定側端子部１１及び可動側端子部１２が設けられ、下部にはアークを消弧するための消弧室１０２が設けられている。この消弧室１０２には、固定側端子部１１と一体的に形成され、所定部に固定接点１ａが設けられた固定接触子１と、固定接点１ａに接離する可動接点２ａを有し回動するように設けられた可動接触子２と、固定接触子１と可動接触子２とが挟みこむ空間に対向するよう、一端部がアーク発生領域２０の近傍に配置された長尺状の磁性体からなる吸引棒３と、この吸引棒３に接して配置され、固定接触子１と可動接触子２間で発生したアークＡを伸長させるための磁界を発生させる磁石４とが配置されている。
【００１１】
以上のように、この発明の実施の形態１における開閉装置１００においては、両接点の開離時に、両接触子間で発生したアークＡを制御して伸長させる磁石４と、一端部がアーク発生領域２０の近傍に配置されると共に他端部が磁石４の一方の磁極面に接して配置された長尺状の磁性体からなる吸引棒３とを基本構成とするものである。この構造によって、アークＡは、磁石４により発生した磁界によって、長尺状の磁性体からなる吸引棒３の長手方向側面に沿って伸長される。ここで、図１におけるアーク発生領域２０より右側に位置する吸引棒３側面から磁気補強板６までの間の空間をアーク伸長空間２１としている。
なお、長尺状の磁性体からなる吸引棒３は、丸棒、または直方体、または円筒形、または多角形状の棒などの形態を用いても同様の効果が得られる。また、長尺状の磁性体からなる吸引棒３は、後述するように、紙面手前に通電方向を持つアークＡの発生領域に対向するように設けた磁性体用の絶縁カバー３ｃで保護されている。磁石４には、後述する磁気補強板６が取り付けられている。
【００１２】
図３は、この発明の実施の形態１における開閉装置のアークの消弧動作を説明するための説明図である。磁性体用の絶縁カバー３ｃで保護された長尺状の磁性体からなる吸引棒３が配置され、アーク発生位置とは反対側の吸引棒３の端面を、Ｎ極を持つ永久磁石４１の磁極面に接するように配置した図３のモデルによって、アークの消弧原理を、消弧に至る進展段階である図３Ａから図３Ｅの５段階に別けて説明する。
図３において、まず、消弧の進展段階である図３Ａにおいては、永久磁石４１から発生する磁力線Ｍが吸引棒３により誘導され、吸引棒３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。鎖交磁場によりアークにローレンツ力が作用し、アークは図３Ａの下側方向に駆動される。図３Ａにおいて、符号８はアーク及びその電流方向を示し、符号９はローレンツ力の作用方向を示す。
【００１３】
次に、消弧の進展段階である図３Ｂにおいては、図３Ａの段階で駆動されたアークに、吸引棒３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３の長手方向の側面部分に拡がるアーク伸長空間２１にアークは、引きこまれる。図３Ｂにおいて、符号１０は電流方向が逆となる場合のアークを示す。
次に、消弧の進展段階である図３Ｃにおいて、アーク伸長空間２１に引きこまれたアークは、吸引棒３の側面から法線上に発生する磁力線Ｍにより更に奥まで引きこまれる。アークは奥に引きこまれるほど、吸引棒３の側面から発生する磁場強度が高まるため、アークは吸引棒３からの脱離が困難となり、安定してアークを吸引棒３の奥側（右側）に伸長させることができる。また、奥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、この向き（図の右側方向）の磁力線による鎖交磁場はアークを吸引棒３の内側に引き寄せる力を引き起す。
【００１４】
次に、消弧の進展段階である図３Ｄにおいて、吸引棒３を保護する磁性体用の絶縁カバー３ｃに近接したアークには、更に強い力で吸引棒３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、磁性体用の絶縁カバー３ｃに向かって圧縮され、アーク内部の抵抗が急激に高まる。そして、磁性体用の絶縁カバー３ｃのアーク露出面からアーク熱により発生する溶発ガスが、アークに向かって吹き付けられるようになり、これによりアークは冷却され、アーク内部の抵抗が更に高まるようになる。
最後に、消弧の進展段階である図３Ｅにおいて、磁性体用の絶縁カバー３ｃの一部に図３に示すような凹状の細隙３ｅを設けた場合には、吸引棒３の内側に押し込むローレンツ力により細隙３ｅ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。更に収縮したアークの周囲から磁性体用の絶縁カバー３ｃ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。
【００１５】
なお、上記の構造によると、通電方向が逆の場合でも同様の効果があり、それぞれの消弧の進展段階において、図３に示すように吸引棒３の軸で対称となるようにアークが伸長していく。また、永久磁石４１（又は磁石４）の磁極面の向きが逆の場合でも同様の効果が得られ、それぞれの消弧の進展段階において、吸引棒３の軸で対象となるようにアークが伸長していく。
このように、吸引棒３と永久磁石４１（又は磁石４）を用いることでアークを同一方向に駆動、伸長することができるようになり、開閉装置１００を大形化することなく、遮断の信頼性を高めることができる。
【００１６】
また、この実施の形態１では、上記の基本構成のほかに以下の部材を付加することにより更なる効果を有するものである。
まず、開閉装置１００はアーク伸長空間２１を備えており、永久磁石４１（又は磁石４）をアーク伸長空間２１に配置することで、アークを伸長できる長さを拡張でき、アーク抵抗をさらに高めることができる。
また、永久磁石４１（又は磁石４）の吸引棒３と隣接して（接して配置されて）いない反対側（反吸引棒側）磁極面に、磁性体からなる磁気補強板６を設けることで、吸引棒３を介して永久磁石４１（又は磁石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３の表面から発生する磁場強度が高まり、消弧性能をさらに高めることができる。
【００１７】
また、図２に示すように、実施の形態１においては、絶縁カバー３ｃによって２つのアーク伸長空間２１（吸引棒３の両側面の空間）を隔離する壁を設けている。絶縁カバー３ｃにより、アークの通電方向が異なる２箇所のアーク伸長空間２１を隔離する壁を形成したことで、一方のアーク伸長空間２１から、他方のアーク伸長空間２１への、アークのまわり込みを防止できるようになり、アークの安定した伸長が可能となる。
さらにまた、この発明の実施の形態１においては、磁石４を永久磁石４１で構成することで、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弱い電流領域（例えば１ｋＡ未満）でも安定した遮断を行うことができる。
また、上記の消弧原理の説明では、使用する磁石として永久磁石４１を使用したが、接触子の一方と、または外部電源と、の何れかと電気的に接続されたコイル状の導体を吸引棒３の周囲の一部に巻き付けて、吸引棒３の一部を電磁石（図示せず）として構成しても、上記と同様の現象によりアークを消弧することができる。
【００１８】
磁石４に、永久磁石４１を使用した場合と、電磁石（図示せず）を使用した場合とでは、効果が最も発揮できる電流範囲が異なり、永久磁石４１を使用する場合では、比較的弱い電流領域（例えば１ｋＡ未満）で効果を発揮し、電磁石（図示せず）を使用する場合では導体に流れる電流から発生する磁束が大きくなる比較的大きい電流領域（例えば１ｋＡ以上）で効果を発揮する。
以上のように、この発明の基本構成を採用することにより、通電方向に関係なく発生したアークＡを吸引棒３の奥に引き込み、アークを伸長し、その後冷却して消弧することができる。つまり、電流の向きに依らず永久磁石配置方向にアークを伸長・冷却できるため、電流が逆流した場合でも遮断信頼性を確保できるとともに開閉装置１００を小形化できる。また、絶縁カバー３ｃにより形成した隔離壁により、アークの他方のアーク伸長空間２１への周りこみを防止し、遮断性能を安定化できる。
【００１９】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における開閉装置の開極状態を示す側断面図である。実施の形態１では、長尺状の磁性体からなる吸引棒３で形成しているが、実施の形態２では、図４に示すように、吸引棒３の形状を、通電方向により異なる２箇所のアークの伸長先の空間を隔てるように拡大させて配置している。これにより、吸引棒３における磁石４と接する面付近の磁気飽和を抑制できるようになり、接点間で発生するアークを効率よくアーク伸長空間２１に引き込めるようになる。さらに、吸引棒３の拡大に伴って、アーク伸長空間２１内の磁場強度が高くなる領域も拡張されるため、上記アークの伸長状態を維持しやすくなり遮断信頼性が向上する。
【００２０】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３における開閉装置の開極状態を示す側断面図である。また、図６は、図５のＡ−Ａ´線における断面図である。図５に示すように、実施の形態３においては、絶縁カバー３ｃにより、アークの通電方向が異なる２箇所のアーク伸長空間２１を隔離する壁を形成したことに加えて、伸長時のアークを取り囲むように絶縁カバー３ｃを配置している。一般的に、開閉装置１００のケース１０１は、発生したアーク熱に曝された場合でも損耗しないように溶発しにくい材料が選定されるため、アークへの溶発ガスの吹付け効率は低い。
この発明の実施の形態３によれば、溶発しやすい材料で絶縁カバー３ｃを成形できるため、伸長時のアークを絶縁カバー３ｃで取り囲むように配置することで、アークへの溶発ガスの吹付け効率を改善でき、遮断信頼性を高めることができる。なお、実施の形態３は、実施の形態２の吸引棒３の形状と組み合わせても良く、組み合わせによりさらに遮断信頼性が向上する。
【００２１】
実施の形態４
図７は、この発明の実施の形態４における開閉装置の開極状態を示す側断面図である。また、図８は、図７のＡ−Ａ´線における断面図である。図７および図８に示すように、実施の形態４においては、絶縁カバー３ｃにより、アークの通電方向が異なる２箇所のアーク伸長空間２１を隔離する壁を形成したことに加えて、伸長時のアークが衝突または圧縮できるように、アークの中央部（アーク伸長空間２１の中央部）に突起部７を設けている。突起部７は、絶縁カバー３ｃと同じ材料であり、ケース１０１の側面に対して突出した形状である。
この発明の実施の形態４によれば、突起部７でアークが衝突または圧縮すると共に突起部７の周囲でアークが引き伸ばされ、アークの冷却効率をさらに改善できるようになる。
なお、この発明は、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、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００２２】
１  固定接触子、１ａ  固定接点、２  可動接触子、２ａ  可動接点、３  吸引棒、３ｃ  絶縁カバー、４  磁石、６  磁気補強板、７  突起部、１１  固定側端子部、１２  可動側端子部、１５  可撓導体、２０  アーク発生領域、２１  アーク伸長空間、４１  永久磁石、１００  開閉装置、１０１  ケース、１０２  消弧室、１０３  開閉機構部。
【要約】
遮断信頼性を確保できる開閉装置を得る。開閉装置（１００）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）間で発生したアークを伸長させるための磁界を発生させる磁石（４）と、一端部が固定接触子（１）と可動接触子（２）との間のアーク発生領域（２０）に近接するように配置されると共に、他端部が磁石（４）の一方の磁極面に接するように配置された磁性体（３）と、磁石（４）と磁性体（３）とを保護すると共に、アークの通電方向が異なるアーク伸長空間（２１）を隔離する絶縁カバー（３ｃ）と、を備え、磁石（４）は、アーク発生領域（２０）以外の領域に配置されている。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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