JP5403335B2 - 回路遮断器における瞬時引外し装置の電磁石構造 - Google Patents

Description

本発明は，回路遮断器における瞬時引外し装置の電磁石構造に関し，特に，低コストでありながらも，引外しに必要な所定のストロークを確保しつつ吸引効率を高めることができる電磁石構造に関するものである。

従来，電磁石装置における吸引力を向上させる方法として，鉄芯の磁束飽和値を上げる方法や吸引断面積を大きくする方法が挙げられていた。ここで，鉄芯の磁束飽和値については，従来からその限界ぎりぎりで使用していたため，これ以上磁束飽和値を上げることは困難であり，また，吸引断面積については，電磁石自体の寸法が大きくなると共に重さも増大するという欠点があることが指摘されている（特許文献１）。

これらの欠点を解決するために，特許文献１において，電磁石自体の寸法や重さを増大させることなく，効果的に鉄芯の磁束飽和値を高め，ひいては電磁石の吸引力を向上させることを目的として，吸引用鉄芯の内部側磁束還流部の断面積が，可動鉄片に対し逆向きに次第に増大し，最大位置での断面積が該還流部の先端面積の２倍以上であることを特徴とした平板型電磁石を提供している。

また，電磁石装置においては，その構造上，鉄芯と該鉄芯に吸着する可動鉄片との間に設けられる空隙の大きさにより吸引力が変化し，該空隙を小さくすることにより，吸引力が増加することは従来から知られていることである。しかしながら，空隙の大きさは，電磁石におけるストロークの大きさと関係しているため，当然のことながら，空隙が小さい場合には，ストロークも小さくなるため，ストロークを大きくした電磁石を提供する場合には不適であった。

特開平７−５０２１２号公報

電磁石における吸引用鉄芯の内部側磁束還流部の断面積を，可動鉄片に対し逆向きに次第に増大させ，最大位置での断面積が該還流部の先端面積の２倍以上であることを特徴として電磁石を構成する場合，通常の電磁石と比べると各部品コストの増大が予想され，また，各々の部品の組み立て性を考えた場合，通常のコイルの巻き方に比べて巻き径が変動するため，新たな生産設備の投入が必要になるなど，安価大量に生産する場合にはコスト面で課題が残る。

また，所定のストロークが必要とされる電磁石を提供する場合，吸引力を向上させるために，単に前記空隙を小さくして構成した場合には，前記所定のストロークが得られないという課題があった。

そこで，本発明は，電磁石の吸引力を向上させるにあたり，従来から開示されている鉄芯の磁束飽和値を上げる方法や吸引断面積を大きくする方法を採らず，また，電磁石における吸引用鉄芯の内部側磁束還流部の断面積を，可動鉄片に対し逆向きに次第に増大させ，最大位置での断面積が該還流部の先端面積の２倍以上であるとして形成せずとも，回路遮断器における過電流引外し装置以外の部分は従来と同等のものを用いることができ，低コストでありながらも，引外しに必要な所定のストロークを確保しつつ，しかも吸引効率を高めることが可能な回路遮断器の瞬時引外し装置における電磁石構造を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために，本発明の請求項１では，回路遮断器の電路を構成する導体を包囲するよう配設されるコの字状のヨークと，該ヨークの両開放端と所定量のギャップを設けて対向配置される平板状の可動鉄片と，該可動鉄片を取付保持するとともに可動鉄片が前記ギャップを閉じる方向若しくは開く方向に揺動するよう前記ヨークの両解放端近傍にそれぞれ設けられた軸受部により軸支される可動鉄片受と，該可動鉄片受を前記軸支点を揺動中心として前記ヨークと前記可動鉄片との前記ギャップを開く方向に付勢する弾性部材と，を備えた回路遮断器における瞬時引外し装置の電磁石構造であって，前記ヨークの両解放端近傍にそれぞれ設けられた軸受部のうち，一方の軸受部を前記ギャップが開く方向に他方の軸受部と比べて拡大形成することにより，前記弾性部材の付勢と相まって前記可動鉄片受の前記一方の軸受部における軸支点が前記拡大形成された部分に移動して，一方のギャップが他方のギャップに比べて狭く形成されることを特徴として回路遮断器における瞬時引外し装置の電磁石構造を提供したものである。

前記可動鉄片を吸引し始めるために必要な吸引力について補足すると，該吸引力は，少なくとも前記弾性部材による可動鉄片の付勢力（付勢力をＦ１とする）以上の大きさが必要となる。所定のギャップ（ヨークの両開放端と可動鉄片とのそれぞれのギャップの大きさをＬ１，Ｌ１とする）を介した磁気回路において発生する吸引力（吸引力をＦとする）は，αを定数，Ｉを電流の大きさとして，Ｆ＝α×Ｉ^２／（Ｌ１＋Ｌ１）^２と表される。本発明のように，一方のギャップが他方のギャップに比べて狭く形成される場合においては，一方のギャップをＬ１´，他方のギャップをＬ１とすると，Ｌ１´＜Ｌ１であるから，磁気回路におけるギャップの大きさは，（Ｌ１´＋Ｌ１）＜（Ｌ１＋Ｌ１）という大小関係となり，一方のギャップが他方のギャップに比べて狭く形成される場合に発生する吸引力Ｆ´は，Ｆ´＝α×Ｉ^２／（Ｌ１´＋Ｌ１）^２と表され，電流の大きさが同じ場合では，発生する吸引力の大きさが大きくなる（Ｆ´＞Ｆ）。即ち，所定の大きさの吸引力を生じさせるために必要な電流Ｉの大きさは，通常と比べて小さくすることができる。なお，他方のギャップは大きさが変わらないため，引外し動作に必要なストロークは所定量保つことができる。これにより，引外しに必要な所定量のストロークを確保しつつ吸引効率を高めることができる電磁石構造を提供することができる。

また，前記弾性部材は，前記ヨークの両開放端近傍に設けられるそれぞれの軸受部のうち，前記一方の軸受部側に設けたことを特徴として電磁石を構成してもよい。

これにより，弾性部材が可動鉄片受の拡大形成された側に作用するため，軸受部における軸支点を前記拡大形成された部分に効率よく移動させることができる。

また，前記回路遮断器における接点開閉機構に作用する前記電磁石装置の作用部は，前記ヨークの両解放端近傍にそれぞれ設けられた軸受部のうち，前記他方の軸受部側に形成されたことを特徴として電磁石を構成してもよい。

これにより，作用部のストロークは，拡大形成された軸受部によるギャップの広狭の影響を受けず，引外しに必要な所定量のストロークを常に確保できる。

また，前記一方の軸受部は，該一方の軸受け部をギャップが開く方向に他方の軸受け部と比べて拡大形成すると共に，前記一方の軸受部を長孔状に拡大形成されたことを特徴として形成されたことを特徴として電磁石を構成してもよい。

これにより，軸受部を拡大形成する際に，一般的な打抜き加工等により形成が行え，なおかつ，軸支点の移動量の調節を簡易に行うことができ，低コストで引外しに必要な所定量のストロークを確保しつつ，吸引効率を高めることが可能な電磁石構造を提供することができる。

以上の如く，本発明によれば，電磁石の吸引力を向上させるにあたり，従来から開示されている鉄芯の磁束飽和値を上げる方法や吸引断面積を大きくする方法を採らず，また，電磁石における吸引用鉄芯の内部側磁束還流部の断面積を，可動鉄片に対し逆向きに次第に増大させ，最大位置での断面積が該還流部の先端面積の２倍以上であるとして形成せずとも，鉄芯や可動鉄片は従来と同等のものを用い低コストありながらも，引外しに必要な所定のストロークを確保しつつ，吸引効率を高めることが可能な電磁石構造を提供することができる。

本実施形態に係る電磁石構造を採用した瞬時引外し装置を組み込んだ回路遮断器の要部斜視図を示す。 同実施形態に係わる瞬時引外し装置の斜視図を示す。 同実施形態に係わる瞬時引外し装置を上方から見た平面図を示す。 同実施形態に係わる瞬時引外し装置の分解斜視図を示す。 同実施形態に係わる可動鉄片の動作を示す。 ギャップの大きさと吸引力の関係を示す。 一定の吸引力を得られる電流の大きさを示す。 従来例における電磁石構造を示す。

以下，本発明の実施の形態について，図面を用いて詳細に説明する。

まず，図１は，本実施形態に係る電磁石構造を回路遮断器における瞬時引外し装置に適用したもので，２極回路遮断器１００の要部斜視図を示したものである。

図１において，回路遮断器１００の瞬時引外し装置１１０以外の部分は，一般的な瞬時引外し装置を備えた回路遮断器と同等のものを適用している。即ち，操作ハンドル１０１をオン，オフ操作することによって，該操作ハンドルとリンク機構などにより接続された開閉機構部１０２が連動して駆動され，さらに該開閉機構部１０２に接続された接点装置１０３が連動して駆動されて，電路を開閉するものである。

また，電路に過電流などの異常電流が発生した場合には，回路遮断器に備えられた過電流引外し装置１１０によって，過電流を検出し，過電流の大きさによって，時延引外し，若しくは瞬時引外しを行うよう該過電流引外し装置１１０の作用部が開閉機構部１０２に作用することにより，開閉機構部の引外し動作を行い，自動的に電路を遮断する。

過電流引外し装置には，熱動電磁形や完全電磁形があり，本実施の形態では熱動電磁形の過電流引外し装置１１０を用いている。そして，熱動電磁形の過電流引外し装置１１０においては，電路に短絡電流よりも小さな過電流が発生した場合には，熱動素子であるバイメタルが撓んで開閉機構部に作用し，短絡電流が発生した場合には，電磁石を備えた瞬時引外し装置が駆動することにより開閉機構部に作用し，自動的に電路を遮断する。

前記接点装置１０３は，一端に接点が設けられた可動接触子１０３１と，該可動接触子１０３１と対向配置されて，同じく一端に接点が設けられた固定接触子１０３２とを備えて構成されている。このうち，固定接触子１０３２は回路遮断器１００のケース側に配設され，可動接触子１０３１は開閉機構部１０２に備えられるクロスバー１０４に装着されて，該クロスバー１０４が，前記操作ハンドル１０１の操作に連動して回動することにより，接点装置１０３が開閉駆動される。

過電流引外し装置１１０の開閉機構部１０２への作用は，開閉機構部に設けられた作動板に対して行われる。本実施の形態の場合，作動板１０５は，その一端が軸支されて，一定量回動自在に保持され，常時，軸支部に設けられた付勢ばねにより，後述するラッチ部における係合がなされる方向に付勢されている。

通常状態では，作動板１０５に設けられたラッチ部に，開閉機構部であるリンク機構の一部を構成するアーム１０６が係合されているが，過電流引外し装置の作用により，作動板が前記ラッチ部が外れる方向に回転していき，作動板の回転とともに係合が釈放された場合には，開閉機構部におけるバランスがくずれて，開閉機構部が引外し動作し，該開閉機構部が接点装置１０３を開極させ，回路遮断器１００は電路を遮断するよう動作する。

次に本実施の形態に係る瞬時引外し装置における電磁石構造について説明を行う。

図２には過電流引外し装置１１０の斜視図を示した。該過電流引外し装置１１０は，回路遮断器の電路を構成する導体であるバイメタル１１０５を包囲するよう配設されるコの字状のヨーク１１０１と，該ヨーク１１０１の両開放端１１０１ａ，１１０１ｂと所定のギャップを設けて対向配置される平板状の可動鉄片１１０２と，該可動鉄片１１０２をカシメにより取付保持するとともに可動鉄片１１０２が前記ギャップを閉じる方向若しくは開く方向に揺動するよう軸受部１１０３ａ，１１０３ｂにより軸支される可動鉄片受１１０３と，可動鉄片受１１０３を前記軸支点を揺動中心としてヨーク１１０１と可動鉄片１１０２とのギャップを開く方向に付勢する弾性部材１１０６とを備えている。

また，図３の電磁石装置の分解斜視図に示したように，可動鉄片受１１０３は，その軸受部１１０３ａ，１１０３ｂがヨーク１１０１の両開放端部に設けられた軸受部１１０１ａ，１１０１ｂと互いの孔部を合わせて軸１１０４が貫挿されることにより軸支される構造となっている。

可動鉄片受１１０３をギャップを開く方向に付勢する弾性部材１１０６には，トーションばねを使用しており，ばねの一端を折り曲げて，可動鉄片受の端部に設けた孔部に引掛けることにより，前記軸受部を回動中心として，常時ギャップが開く方向に付勢力が得られるように構成している。

前記可動鉄片受１１０３の軸受部のうち，一方の軸受部１１０３ａは，他方の軸受部１１０３ｂと比べて，ギャップが開く方向に拡大形成している。より詳しくは，図４の（ｈ）に示した瞬時引外し装置の平面図のように，可動鉄片１１０３がヨーク１１０１に吸着したときの状態において，軸１１０４の右側部分，即ちギャップが開く方向に軸受部１１０３ａを長孔状に拡大して形成している。

可動鉄片受１１０３は，弾性部材１１０６により常時ギャップが開く方向に付勢されているから，通常状態においては，可動鉄片受１１０３は，図４の（ｂ）のように，長孔状に拡大形成された軸受部における内周部の右側に軸１１０４が位置するよう引き寄せられる。即ち，弾性部材の付勢と相まって可動鉄片受の軸支点が前記拡大形成された部分に移動して，一方のギャップが他方のギャップに比べて狭く形成される配置となる。

また，可動鉄片１１０２には，回路遮断器の開閉機構部１０２における作動板１０５に作用する作用部１１０２ａが突出形成されている。該作用部１１０２ａは，可動鉄片受１１０３における両方の軸受部のうち，拡大形成された軸受部１１０３ａとは反対側の軸受部１１０３ｂ側に設けられる。

次に，過電流引外し装置１１０における電磁石の動作について説明を行う。

まず，前記可動片１０２を吸引し始めるために必要な吸引力は，前述のように，少なくとも前記弾性部材による可動鉄片の付勢力（付勢力をＦ１とする）以上の大きさが必要となる。所定のギャップ（ヨークの両開放端と可動鉄片とのそれぞれのギャップの大きさをＬ１，Ｌ１とする）を介した磁気回路において発生する吸引力（吸引力をＦとする）は，αを定数，Ｉを電流の大きさとして，Ｆ＝α×Ｉ^２／（Ｌ１＋Ｌ１）^２と表される。

本発明のように，一方のギャップが他方のギャップに比べて狭く形成される場合においては，一方のギャップをＬ１´，他方のギャップをＬ１とすると，Ｌ１´＜Ｌ１であるから，磁気回路におけるギャップの大きさは，（Ｌ１´＋Ｌ１）＜（Ｌ１＋Ｌ１）という大小関係となり，一方のギャップが他方のギャップに比べて狭く形成される場合に発生する吸引力Ｆ´は，Ｆ´＝α×Ｉ^２／（Ｌ１´＋Ｌ１）^２と表され，電流の大きさが同じ場合では，発生する吸引力の大きさが大きくなる（Ｆ´＞Ｆ）。即ち，所定の大きさの吸引力を生じさせるために必要な電流Ｉの大きさは，通常と比べて小さくすることができる。

これらのギャップ（Ｌ１＋Ｌ１），（Ｌ１´＋Ｌ１）と吸引力の関係を図６に示した。即ち，ギャップが小さくなるとともに，吸引力は大きくなる特性を示す。

また，前記ギャップがそれぞれの大きさの場合について，吸引力がＦ１に達するまでの該吸引力と電流Ｉの関係を図６に示した。ギャップの大きさが（Ｌ１＋Ｌ１）の場合に，吸引力がＦ１の大きさに達する電流値をＩ１として，ギャップの大きさが（Ｌ１´＋Ｌ１）の場合に，吸引力がＦ１の大きさに達する電流値をＩ２とすると，Ｉ１＞Ｉ２の関係となる。即ち，所定の吸引力Ｆ１を生じさせるのに必要な電流Ｉの大きさは，ギャップの大きさに比例するから，電流の大きさが同じ場合には，ギャップが狭いほうが大きな吸引力を発生させることができる。

次に，図５を用いて，可動鉄片１１０２の動作について説明を行う。

図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は，瞬時引外し装置における通常状態を示すもので，それぞれ，電磁石の平面図，正面図，背面図を示したものである。ヨーク１１０１の開放端と可動鉄片１１０２とがなす角度は１３度とし，所定量のストロークが得られる構成としている。また，（ｇ），（ｈ），（ｉ）は，瞬時引外し装置が駆動し，可動鉄片１１０３がヨーク１１０１に吸着した状態を示したものである。（ｄ），（ｅ），（ｆ）はその途中の状態を示したものであり，ヨーク１１０１の開放端と可動鉄片１１０２とがなす角度が６度の場合を示している。また，何れの図においても簡略のため導体，弾性部材は省略している。

さて，通常状態において，回路遮断器の導体に短絡電流が流れた場合，電磁誘導により，ヨーク１１０１に可動鉄片１１０２が吸引され始める。前述の磁気回路における吸引力が，弾性部材の付勢力を上回った場合には，可動鉄片１１０２が弾性部材の付勢力に抗して駆動し始める。このとき，可動鉄片受１１０３における軸受部１１０３ａに着目すると，軸１１０４の位置は，当初の長孔状に拡大形成された軸受部における内周部の右側から，相対的に左側に移動していく（図５の（ｅ）参照）。

より詳しくは，可動鉄片１１０２がヨーク１１０１に吸着されるにあたり，ヨークの開放端部と可動鉄片とが当接すると（図５における（ｂ）Ｓ点参照），該Ｓ点を回転中心としてギャップが狭くなる方向に回転を行うため，だんだんと軸１１０４の位置は，当初の長孔状に拡大形成された軸受部における内周部の右側から，相対的に左側に移動していく。図５の（ａ），（ｄ），（ｇ）を比較すると，ヨーク１１０１の開放端部と可動鉄片１１０２との成す角α，β，γの大きさは，通常状態から可動鉄片１１０２が吸引されるとともにだんだんと小さくなり，可動鉄片１１０２は，ヨーク１１０１に吸着されるまでの過程で，軸受部１１０３ａの内周部における軸１１０４の相対的な移動とともにギャップＬ１´とＬ１との差が小さくなるよう動作を行う。

そして，可動鉄片１１０２がヨークの両開放端に吸着した場合には，軸１１０４は軸受部を拡大形成する前の本来の位置である前記内周部の左側に位置することとなる。

これにより，ヨーク１１０１の両開放端１１０１ａ，１１０１ｂと可動鉄片１１０２とのギャップのうち，長孔状に拡大形成された軸受部側のギャップ（Ｌ１´）が他方のギャップ（Ｌ１）に比べて狭くなっているため，両方のギャップがＬ１，Ｌ１である場合と比べて，同じ大きさの電流により発生する吸引力が大きくなる。その一方で，作用部１１０２ａが設けられた側のギャップは所定量のストロークが得られるよう確保されており，しかも，軸受部１１０３ａの内周部を相対的に軸１１０４が自由に移動できるよう構成しているから，可動鉄片１１０２がヨーク１１０１に吸着される場合の動作を妨げることなく電磁石を駆動することができる。

このように，本実施の形態における電磁石の一方のギャップ（Ｌ１´）は，長孔状に拡大形成された軸受部１１０１ａにより，通常状態では他方のギャップ（Ｌ１）よりも小さくなる。そして電磁石が駆動して，最終的に可動鉄片１１０２がヨーク１１０１に吸着する際には，他方の軸受部１１０１ｂと同様の軸位置となり，当初のギャップ（Ｌ１）の大きさ分だけ可動鉄片１１０２が移動するため，所定量のストロークの確保は行うことができるため，回路遮断器における過電流引外し装置以外の部分は従来と同等のものを用いることができ，低コストありながらも，引外しに必要な所定のストロークを確保しつつ，吸引効率を高めることが可能な電磁石構造を提供することができる。

なお，本発明は，実施の形態に限定されることなく，発明の要旨を逸脱しない限りにおいて，適宜，必要に応じて，改良や設計変更は自由であり，例えば，可動鉄片受１１０３において拡大形成された軸受部１１０３ａの形状は，長孔状の他，孔の直径を他方よりも大きくして形成した円や楕円状として形成しても良いし，また，可動鉄片受１１０３の軸受部を拡大形成するのではなく，ヨーク１１０１の軸受部を拡大形成して構成してもよい。

この他，軸１１０４を削減するために，ヨーク１１０１の軸受部１１０１ａ，１１０１ｂの部分にプロジェクション加工を施して突出部を形成して，可動鉄片受１１０３の軸受部の形状を軸を嵌め込み可能な程度に一部を開放したＵ字状に形成して，前記突出部を嵌め合わせて瞬時引外し装置を構成してもよい。また，弾性部材にはトーションばねの他，つるまきばねを用いた構成や，可撓性を備えた撓み片により可動鉄片をギャップを広げる方向に付勢させる構成としてもよい。

さらには，可動鉄片１１０２を軸支する軸支部を，回路遮断器のケース内壁に形成して可動鉄片１１０２が揺動できるよう回路遮断器を構成してもよい。また，可動鉄片の形状は平板状の他，コの字形状に形成して，ヨーク側を平板形状，もしくはヨーク，可動鉄片ともにコの字形状に形成してもよい。

本発明は，所定のストロークを必要としつつ，駆動電流が小さくても効率的に駆動できる電磁石構造を提供するため，過電流引外し装置を備える種々の回路遮断器に適用可能である。特に，電磁石装置を大型化することなく電磁石を構成できるため，小型の回路遮断器への適用が効果的である。また，比較的小さな短絡電流の領域においても駆動動作が可能であるため，コード保護機能を備える回路遮断器への適用が可能である。また，複雑な形状をした部品を使用する必要がないため，回路遮断器の組み立てにおいて，自動化を行う際にも有効であり，より一層の生産性向上を望むことができる。

１００ 回路遮断器
１０１ 操作ハンドル
１０２ 開閉機構
１０３ 接点装置
１０４ クロスバー
１０５ 作動板
１０６ アーム
１１０ 過電流引外し装置
１１０１ ヨーク
１１０２ 可動鉄片
１１０３ 可動鉄片受
１１０４ 軸
１１０５ 導体
１１０６ 弾性部材

Claims (4)

1. 回路遮断器の電路を構成する導体を包囲するよう配設されるコの字状のヨークと，
   該ヨークの両開放端と所定量のギャップを設けて対向配置される平板状の可動鉄片と，
   該可動鉄片を取付保持するとともに可動鉄片が前記ギャップを閉じる方向若しくは開く方向に揺動するよう前記ヨークの両解放端近傍にそれぞれ設けられた軸受部により軸支される可動鉄片受と，
   該可動鉄片受を前記軸支点を揺動中心として前記ヨークと前記可動鉄片との前記ギャップを開く方向に付勢する弾性部材と，
   を備えた回路遮断器における瞬時引外し装置の電磁石装置であって，
   前記ヨークの両解放端近傍にそれぞれ設けられた軸受部のうち，
   一方の軸受部を前記ギャップが開く方向に他方の軸受部と比べて拡大形成することにより，
   前記弾性部材の付勢と相まって，前記可動鉄片受の前記一方の軸受部における軸支点が前記拡大形成された部分に移動して，一方のギャップが他方のギャップに比べて狭く形成されることを特徴とする回路遮断器における瞬時引外し装置の電磁石装置。
   
2. 前記弾性部材は，
   前記ヨークの両開放端近傍に設けられるそれぞれの軸受部のうち，前記一方の軸受部側に設けたことを特徴とする請求項１記載の回路遮断器における瞬時引外し装置の電磁石装置。
   
3. 前記電磁石装置の前記回路遮断器における接点開閉機構に作用する作用部は，
   前記ヨークの両解放端近傍にそれぞれ設けられた軸受部のうち，前記他方の軸受部側に形成されたことを特徴とする請求項２記載の回路遮断器における瞬時引外し装置の電磁石装置。
   
4. 前記一方の軸受部は，
   該一方の軸受け部をギャップが開く方向に他方の軸受け部と比べて拡大形成すると共に，前記一方の軸受部を長孔状に拡大形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のうち何れか１項に記載の回路遮断器における瞬時引外し装置の電磁石装置。