(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
並んで配置された複数のスプリッタプレートを有する電気アーク消弧装置であって、
前記スプリッタプレートの各々は、
エッジ部分が連結された一対の離間した脚部を有し、該脚部の各々は、前記エッジ部分から伸びてギャップを有するオープンループを形成している電気導電材料からなるケーシングと、
離間した前記脚部間に配置された磁性材料の本体とを含み、
離間した前記脚部 の各々は、前記エッジ部分と隣接してこのエッジ部分から伸びている先端部分と、この先端部分と隣接してこの先端部分から湾曲して伸びてオープンループを形成し、かつギャップを形成するために前記先端部分から離れた端部を有する湾曲部分とを含んでおり、
前記複数のスプリッタプレートの隣接するスプリッタプレート間に導かれるアークは、消弧される前に前記ギャップを飛び越えて前記オープンループの回りを繰り返し移動することを特徴とする電気アーク消弧装置。
【請求項２】
前記ケーシングは、非磁性材料から作られることを特徴とする請求項１記載の電気アーク消弧装置。
【請求項３】
前記ケーシングは、銅から作られることを特徴とする請求項２記載の電気アーク消弧装置。
【請求項４】
前記ケーシングのエッジ部分は、脚部から離れて外側に湾曲することを特徴とする請求項１記載の電気アーク消弧装置。
【請求項５】
前記磁性材料の本体は、鋼製であり、ケーシングは、銅製であることを特徴とする請求項１記載の電気アーク消弧装置。
【請求項６】
前記スプリッタプレートの各々は、前記磁性材料の本体と前記ケーシングの間に配置された電気絶縁材料からなることを特徴とする請求項１記載の電気アーク消弧装置。
【請求項７】
前記磁性材料の本体は、互いに接触しかつ離間した脚部間に配置された複数の鋼製シートを含んでいることを特徴とする請求項１記載の電気アーク消弧装置。
【請求項８】
複数の前記スプリッタプレートの回りに配置されるハウジングをさらに含み、このハウジングは、アークからのガスがハウジングから排出される開口を有していることを特徴とする請求項１記載の電気アーク消弧装置。
【請求項９】
前記ハウジング内のアークによって生じる音を弱めるために、前記開口に連通するマフラをさらに含んでいることを特徴とする請求項８記載の電気アーク消弧装置。
【請求項１０】
複数の前記スプリッタプレートは、アークからのガスが前記開口に流れるための孔を有していることを特徴とする請求項８記載の電気アーク消弧装置。
【請求項１１】
電気回路を完成するために互いに選択的に係合する第１，第２の接触子を有する形式の電流切換装置のための電気アーク消弧装置であって、
前記第１，第２の接触子に隣接配置され、かつ電気導電材料で作られる複数のスプリッタプレートを含み、
この各プレートが、磁性材料の本体と、この本体の両側に配置されてエッジ部分によって接続した一対の平坦部分とを備えるとともに前記第１，第２の接触子に隣接するエッジ部分によって接続されるケーシングとを有し、
前記平坦部分の各々は、前記エッジ部分と隣接してこのエッジ部分から伸びている先端部分と、この先端部分と隣接してこの先端部分から湾曲して伸びてオープンループを形成し、かつギャップを形成するために前記先端部分から離れた端部を有する湾曲部分と、を含んでおり、
前記各平坦部分は、ギャップを有するオープンループをなして前記エッジ部分から伸びており、前記複数のスプリッタプレートの隣接するスプリッタプレート間に導かれるアークは、消弧される前に前記ギャップを飛び越えて前記オープンループの回りを繰り返し移動することを特徴とする電気アーク消弧装置。
【請求項１２】
前記ケーシングは、電気導電性の非磁性材料から作られることを特徴とする請求項１１記載の電気アーク消弧装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流等の電流を切り換えるための装置に関し、特に、スイッチ切り離し時のスイッチ接触子間に形成されるアークを消弧する機構を有するこの種の装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流は、バッテリー電源装置、モータ駆動装置、及び直流付属回路等の多くの適用に用いられ、その中で接触器は、負荷電流をオンオフするのに用いられる。重量、信頼性、及び直流高電圧の切換え性能は、接触器の開発において特に考慮することが重要である。
【０００３】
さらに、多くの応用において、比較的大きな直流は、接触器の接触子を切り離すとき、アークを発生して切り換えなければならず、その結果、アークを消弧するための機構が必要となる。
【０００４】
従来の直流接触器及びスイッチは、１つまたはそれ以上のアーク消弧部材を備えており、この消弧部材は、スイッチ接点間に形成される消弧アークとして、例えば、米国特許明細書第５，４１６，４５５号に記載されるように、しばしば、「アークシュー(arc chutes)」と呼ばれる。アーク消弧部材は、離間配置された電気導電性の一連のスプリッタプレートで構成できる。
【０００５】
直流切換装置において、一連のスプリッタプレートの一面側にある永久磁石は、アーク消弧部材を横切る磁界を形成して、アークがスプリッタプレート構造に導かれる。このとき、アークは、１つのスプリッタプレートから他のスプリッタプレートに伝わる。アークは、一連のスプリッタプレートに、そして、これらのプレート間の多数のギャップに広がり、それゆえ、アークを消弧するための十分なアーク電圧が作り出される。  直流切換装置におけるアークは、所定のスプリッタプレートのある個所に形成される。特に、誘導負荷に伴ってアーク持続時間が比較的長いと、この個所でのエネルギーの集中により、金属プレートは腐食する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情に鑑みて、本発明の目的は、スイッチ接触子が切り離される時形成されるアークを消弧する機構を含む電流切換装置、特に、電気アーク消弧装置、その消弧方法、並びに、このアーク消弧装置に使用するスプリッタプレートを提供することである。
【０００７】
また、他の目的は、消弧装置の構成部品にアークがもたらす腐食を減少させることである。本発明のさらなる目的は、アーク消弧装置内のスプリッタプレートの表面を横切るアークを移動させることによりこのような腐食を減少することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
これらの目的および他の目的は、選択的に互いに係合して電気回路を完成する第１，第２の接触子を備えた形式の電流切換装置用の消弧装置によって達成される。本発明の構成は、各請求項に記載されており、このアーク消弧装置は、第１，第２の接触子に隣接配置された複数の電気導電性のスプリッタプレートを含んでいる。好ましくは、一方のスプリッタプレートの主表面に、隣接するスプリッタプレートの主表面が面して層状をなしている。各主表面は、ギャップを有するオープンループを形成し、隣接するスプリッタプレートの間に形成されるアークがこのループの回りを移動する。回路において、より長い中断時間があると、アークはギャップ間を飛び越し、さらに、アークが消弧されるまでこの動作が繰り返される。
【０００９】
好ましい実施形態において、各スプリッタプレートは、第１，第２の接触子に面するエッジ部分により連結された一対の離間した平坦部分によって形成された電気導電材料のケーシングを含んでいる。各平坦部分は、エッジ部分と隣接してこの部分から伸びている先端部分と、この先端部分と隣接してこの先端部分から湾曲して伸びてオープンループを形成し、かつギャップを形成するために前記先端部分から離れた端部を有する湾曲部分とを含んでいる。好ましくは、ケーシングのエッジ部分は、平坦部分から離れて第１，第２の接触子の方に向けて湾曲する凸形状を有している。
【００１０】
アークは、各スプリッタプレートのループの回りを連続的に移動するので、アークの足は、スプリッタプレートを大きく溶かしたり、関連した腐食を生じさせるほど十分には長く一か所にとどまらない。その結果、装置の寿命をより長くする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１を参照すると、密封型の電磁式単極接触器１０は、第１，第２の電源端子１４，１６を備えるプラスチックハウジング１２を有する。第１電源端子１４は、ハウジング１２に取り付けた固定接触子１５に接続され、かつ第２電源端子１６は、別の固定接触子１７に接続される。
【００１２】
電磁ソレノイド１８は、ハウジング１２の内面に設けた凹部に収容される。ソレノイド１８は、中央開口２４内に配置された、環状コイル２０、コア２１、及びアーマチュア２２を有する。このアーマチュア２２は、コア２１を貫通し、可動接触子アーム２８に連結するシャフト２６を含み、接触器の閉状態時において固定接触子１５，１７をつないで電源端子１４，１６間の電気径路を完成する。可動接触子アーム２８の各端部は、接触パッド３０を有し、この接触パッド３０は、接触器の閉成時に、アーム２８の端部と連動する固定接触子１５または１７上の係合接触パッド３２に当接する。スプリング組立体３３は、可動接触子アーム２８とアーマチュア２２を付勢し、図１に示すように、ソレノイドコイル２０が消勢されるとき、接触器１０は常開位置にある。
【００１３】
可動接触子アーム２８の各端部は、分離したアーク消弧室内に伸びている。２つのアーク消弧室は、図１に見られる１つの室３４に対して互いに鏡像関係にある。アーク消弧室３４は、積層する部分間の領域３９を有し、離間したスプリッタプレート４０の２つのスタック３６，３８によって形成される。内側スタック３６内の頂部スプリッタプレートは、スタックが下方にある一方の端子よりも他方の電源端子にワイヤブレイドによって接続される。
【００１４】
例えば、第２電源端子１６の下方にある内側スタック３６の頂部スプリッタプレート４０ａは、ワイヤブレイド４７によって第１電源端子１４に接続される。別のワイヤブレイド４７は、第１電源端子１４の下方にあるアーク消弧室のスプリッタプレートを第２電源端子１６に接続する。
【００１５】
図１，図２において、各スプリッタプレート４０は、湾曲したエッジ部分５０によって接続された同一形状の平坦部分からなる一対の脚部（横部分）４３，４５を備える外側Ｕ形状のケーシング４４を有する。各スプリッタプレート４０の湾曲したエッジ部分５０は、アーク消弧室３４の中央領域３９に面する。スプリッタプレート４０の平らな脚部４３，４５は、同一でありかつ図２に示すようにアラビア数字（９）の鏡像に似た湾曲形状を有する。
【００１６】
特に、各脚部４３，４５は、湾曲したエッジ部分５０の一側面から突出しかつスプリッタプレート４０の横面に対してテーパー状に細くなる先端部分４８を有する。この先端部分４８は、湾曲した部分５２となって、ギャップ５６だけ先端部分から離れるエッジ（端部）５４に向けて湾曲する。先端部分（第１部分）４８と湾曲部分（第２部分）５２は、内径開口部５５を有するオープンループを形成する。
【００１７】
各スプリッタプレート４０のケーシング４４は、銅のような電気導電材料から形成され、かつ磁性鋼からなる本体４６の回りに伸びている。この本体４６は、Ｕ形状のケーシング４４の開口内に収納されかつケーシング内部寸法に対応した外側寸法を有する矩形を有する。
【００１８】
接触器１０は直流をスイッチングするので、磁界は電気アークをアーク消弧室に移動するのに使用される。図２において、この磁界は、永久磁石組立体６０によってアーク消弧室３４の中央領域３９を横切るように生じる。
【００１９】
この組立体６０は、アーク消弧室３４の樹脂製ハウジング６４の外側に消弧室の高さに沿って配置される永久磁石６２から構成される。永久磁石６２は、この磁石の外表面に当接しかつアーク消弧室３４の両端部側に伸びている、磁性を備えた一対の鉄、即ち、Ｕ形状部材６６，６８に結合される。
【００２０】
一対の樹脂製ブラケット７０，７２は、樹脂製ハウジング６４の溝にスプリッタプレート４０，４２を保持し、そしてそのハウジングを密閉する。永久磁石６２とＵ形状材６６，６８との結合は、アーク消弧室３４を横切る磁界（図２に垂直な方向）を形成する。アーク消弧室３４は、記載するように、スプリッタプレート４０の方に向いて接触子パッド３０，３２間に形成される電気アークを方向付ける。
【００２１】
図１において、接触器１０が開くと、アーマチュア２２とこれに取り付けた可動接触子アーム（第２接触子）２８は、固定接触子１５，１７から離れて移動し、接触子パッド３０，３２を切り離して図示の位置に移動させる。接触子パッド３０，３２が切り離されると、アーク７７はそれらの間に発生する。永久磁石による磁界に伴うアーク電流の相互作用により生じる力によって、アーク７７は、接触子パッド３２の外側から固定接触子（第１接触子）１７に沿ってアーク消弧室３４内のスプリッタプレート４０の外側スタック３８に向かって移動する。同時に、アーク７７は、他方の接触子パッド３０から離れて可動接触子アーム２８の先端に移動する。
【００２２】
アーク７７は、固定接触子１７に沿って外側スタック３８にある頂部スプリッタプレート４０に伝達する。このアークは外側スタック３８内の隣接するスプリッタプレート４０間の垂直ギャップ間に掛け渡される。最終的に、アーク７７は、アークの他端が内側スタック３６内の頂部スプリッタプレート４０ａ上に移動する場所まで外側スタック３８を介して下降して移動する。
【００２３】
アーク７７は、内側スタック３６内の頂部スプリッタプレート４０ａに達したとき、固定接触子用の他方のアーク消弧室にあるアークは、ワイヤブレイド(wire braid)４２によって頂部スプリッタプレート４０ａを反対側の電源端子１４にに接続することにより短絡し、そして完全に消弧される。
【００２４】
しかし、アーク７７は、その時点ではまだ消弧されておらず、スタック３６，３８内の順次続く各スプリッタプレート４０へ下降して伝達される。この動作は、隣接するスプリッタプレート４０間の垂直ギャップに分離した副アークが形成される。最終的に、アーク７７は、各スプリッタプレートの間の多数のギャップに広がり、かなり大きなアーク電圧が作り出され、そしてアークが消弧する。
【００２５】
アークが隣接するスプリッタプレート４０間に形成されると、ローレンツ力が発生して、図２に示す矢印によって示されるように、先端部分４８及び湾曲部分５２に沿って隣接する湾曲したエッジ部分５０からアークが移動する。湾曲部分５２の端部にあるエッジ５４に達すると、アークは、ギャップを飛び越えて先端部分４８上に戻り、循環移動が繰り返される。
【００２６】
アークがスプリッタプレート４０の表面を横切って連続的に移動するので、アークの足は、スプリッタプレートの全体を溶かしかつ関連する腐食を生じさせるほど十分長く一か所にとどまらない。こうして、装置の寿命を長くする。
【００２７】
さらに、アークの移動により、接触器は、一定の長い時間直流を中断させることに関連してより長い中断時間に耐えることができる。アークによって生じるローレンツ力は、ケーシング４４の脚部４３，４５の間に配置された磁性鋼本体４６によって高められる。
【００２８】
アークがこの磁性鋼本体４６を介して短絡されるのを防止するために、本体４６は、図４に示すように、本体のいずれかの側面に絶縁シート（電気絶縁材料）４９を挿入することによって、または本体４６を絶縁体材料で被覆することによって電気的に絶縁することができる。他の方法によれば、本体４６は、図５に示すように、２つの磁性鋼シート５１，５３から構成してもよい。このシート５１，５３は、互いにかつケーシングに物理的に接触しており、各シートとケーシング間、及び２つのシート間のエアギャップは、アーク電流が本体４６を介して流れないように十分な抵抗を与える。この結果、アーク電流は、銅のケーシング４４を介して流れる。
【００２９】
結局、磁性鋼シート５１，５３は、アークの分離(splitting) 及びスピンニング(spinning)を容易にするためにアークの足に作用するローレンツ力を最小にする電流（自己−フィールド）集中器(current self field concentrator) として作用する。
【００３０】
図３は、本発明に包含されるアーク消弧室８０の他の変形例を示す。この構造において、アーク８２は、中断器ハウジング８５内に含まれるスプリッタプレート８４の単一スタックの中間点にある室８０に入る。特に、アーク８２は、固定接触子８６と可動接触子８８の間に形成される。この固定接触子８６は、下方のアークランナー９０と一体となって、単一構造体を形成し、そこで、下方のアークランナー９０はスプリッタプレート８４のスタックの下方に伸びている。上方のアークランナー９２は、可動接触子８８から分離して隣接し、かつスプリッタプレート８４のスタック上方に伸びている。
【００３１】
各スプリッタプレート８４は、図１，図２に示す実施形態のスプリッタプレート４０と構造においては同一である。特に、各スプリッタプレート８４は、２つの接触子８６，８８に対面する側に、閉じた湾曲エッジを備えるＵ形状のケーシング４４を有しており、Ｕ形状のケーシング内には磁性鋼本体９４が配置されている。
【００３２】
第２の変形例では、各本体９４は、関連するスプリッタプレート８４のループ内にある開口５５に対応して大きさが決められるとともに整合した、貫通孔９６を有する。２つのアークランナー９０，９２は、それぞれ、同様に整合した開口９８，９９を有する。
【００３３】
その結果、中央通路１００は、スプリッタプレート８４及び本体９４のスタックを介して作られている。この中央通路１００は排気通路１０２，１０４内に開いており、これらの排気通路はスプリッタプレート８４の上側及び下側の接触器ハウジング８５内に形成されている。
【００３４】
多くの適用において、排気通路１０２，１０４は、外部物体が接触器の電気導電部材と接触するのを防止するためにスクリーン等の適当な保護物を用いてハウジング８５の外側に直接換気を行うことができる。
【００３５】
他の応用、例えば、騒音が重要となる軍用の装備などでは、マフラ１０６，１０８が排気通路１０２，１０４の出口開口に取付られる。各マフラ１０６，１０８は、単シリンダの内燃エンジンに用いられるものと同一の構造で、例えば、米国、ウイスコンシン、スタウトンにあるネルソン  マフラ社によって製造されたマフラを用いることができる。構造上は、エンジン用マフラとして使用するものも同様であり、バッフル作用と排気ガスのエア通路を伸長させることにより、アークにより生じた音を弱め、消弧室内のエア動きを邪魔しないようにマフラを通る十分なエアの流れを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従うアーク消弧室を含む直流接触器の部分的に切り欠いて見た断面構成図である。
【図２】図１の２−２線に沿って見た消弧室の断面図である。
【図３】本発明に従う消弧室の他の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明に従うスプリッタプレートの分解斜視図である。
【図５】スプリッタプレートの他の実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０  接触器
１５，１７  固定接触子
２８  可動接触子アーム
４０  スプリッタプレート
４３，４５  脚部
４４  ケーシング
４６  本体
４８  先端部分
５０  エッジ部分
５２  湾曲部分
５６  ギャップ
【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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