JP6075509B2 - 直流操作用有極電磁石及びこれを使用した電磁接触器 - Google Patents

Description

本発明は、外ヨーク及び内ヨーク間に永久磁石を介挿した直流操作用有極電磁石及びこれを使用した電磁接触器に関する。

この種の直流操作用有極電磁石を備えた電磁接触器としては、例えば特許文献１に記載されている電磁接触器が知られている。
この電磁接触器に適用されている有極電磁石は、図１０に示すように、外側ヨーク１０１及び内側ヨーク１０２間に永久磁石１０３を介挿すると共に、円筒状の励磁コイル１０４を挿通するプランジャ１０５の軸方向両端に第１のアーマチュア１０６及び第２のアーマチュア１０７を形成し、第１のアーマチュア１０６を内側ヨーク１０２の対向板部１０２ａの一方に対向するように配置し、第２のアーマチュア１０７を外側ヨーク１０１の外側に対向するように配置した構成を有する。

特開２０１１−４４２７８号公報

ところで、上記従来の有極電磁石は、励磁コイル１０４に通電して永久磁石１０３と逆極性となるように励磁することにより、第１のアーマチュア１０６及び第２のアーマチュア１０７と外側ヨーク１０１の左右端板部１０１ａ及び１０１ｂとの間に吸引力が働く、これと同時に左側の第１のアーマチュア１０６と内側ヨーク１０２の対向板部１０２ａとの間に反発力が働く。このため、プランジャ１０５が左動してアーマチュア１０６及び１０７が外側ヨーク１０１の左右端板部１０１ａ及び１０１ｂに吸着される。
このとき、一般に、有極電磁石を小型化する要求に応えるため、プランジャ１０５の断面積に対して外側ヨーク１０１の最小幅での断面積を狭く設定せざるを得ない。このため、プランジャ１０５の磁気抵抗に対して、外側ヨーク１０１の磁気抵抗が大きくなり、励磁コイル１０４の通電により生じる磁束は、プランジャ１０５内に集中し、外側ヨーク１０１を通る磁束は少なくなる。したがって、直流操作用有極電磁石の電磁石効率が低下する。

この結果、直流操作用有極電磁石を使用した直流操作型電磁接触器は、有極電磁石の採用で小型が進んだものの、必要な操作力を得るための励磁コイルの巻線量を少なくすることはできず、交流操作型電磁接触器に比べるとまだ大型となり、製造コストも嵩む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、プランジャと外ヨークとの間の磁束密度を均一化して電磁石効率を向上させることができる直流操作用有極電磁石及びこれを使用した電磁接触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、本発明に係る直流操作用有極電磁石の一態様は、励磁コイルを巻装した中心開口を有するスプールと、このスプールの中心開口に挿通され、中心開口から突出する両端に第１及び第２のアーマチュアを個別に取付けたプランジャと、第１のアーマチュアを吸引するように前記スプールの対向側面を囲む外ヨークと、第２のアーマチュアを吸引するように外ヨークの内側に配置された内ヨークと、外ヨークと内ヨークとの間に配置された永久磁石とを備えている。そして、外ヨークは、スプールの側面に対向する中央板部と、この中央板部のスプールの中心軸方向の両端に形成された一対の対向板部とでＵ字状に形成され、一対の対向板部の幅が中央板部の幅より広く形成されている。
また、本発明に係る電磁接触器の一態様は、上述した直流操作用有極電磁石のプランジャで可動接触子を保持する可動接触子ホルダを可動させるように構成されている。

本発明によれば、永久磁石を挟む外ヨークと内ヨークとで、外ヨークの厚みを内ヨークの厚みに比較して厚くすることにより、外ヨークの磁気抵抗を小さくする。これによって、励磁コイルを励磁したときに発生する磁束がプランジャ内に集中することを抑制して外ヨーク側に分散させることができ、電磁石効率を向上させて小型化を図ることができる。
さらに、電磁接触器の構成も、上述した小型化が可能な直流操作用有極電磁石を採用することにより、小型化を図ることができる。

本発明に係る直流操作用有極電磁石の一実施形態を示す外観斜視図である。 図１の平面図である。 図１の拡大側面図である。 外ヨークのヨーク半体を示す斜視図である。 本発明に係る電磁接触器を示す外観斜視図である。 本発明に係る電磁接触器の正面図である。 図６の第１のフレーム及び第２のフレームを取り外した状態の斜視図である。 図６のVIII−VIII線上の断面図である。 図６のIX−IX線上の断面図である。 従来例を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を伴って説明する。
本発明に係る直流操作用有極電磁石１０は、図１〜図３に示すように、スプール１１と、プランジャ２１と、外ヨーク３１と、内ヨーク４１と、永久磁石５１とを備えている。
スプール１１は、図３に示すように、中心開口１２を有する円筒部１３と、この円筒部１３の軸方向端部すなわち上下端部にそれぞれ半径方向に突出するフランジ部１４及び１５を有する。そして、円筒部１３の外周側におけるフランジ部１４及び１５間に励磁コイル１６が巻装されている。さらに、励磁コイル１６に通電するためのコイル端子１７が装着されている。

プランジャ２１は、図３に示すように、スプール１１の中心開口１２内に挿通される円柱状の棒状部２２と、この棒状部２２の中心開口１２から突出する軸方向両端部に半径方向に突出形成された第１のアーマチュア２３及び第２のアーマチュア２４とで構成されている。
外ヨーク３１は、図１及び図３に示すように、スプール１１を挟んで対向する左右一対のヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂで構成されている。各ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂのそれぞれは、図４に示すように、スプール１１の対向側面に沿って上下に延長する中央板部３３と、この中央板部３３の上下端部からスプール１１のフランジ部１４及び１５に沿って内方に延長する対向板部３４及び３５とを有して側面から見てＵ字状に形成されている。

内ヨーク４１は、図１及び図３に示すように、外ヨーク３１のヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの内側に所定間隔を保って配置されたヨーク半体４２Ａ及び４２Ｂで構成されている。各ヨーク半体４２Ａ及び４２Ｂのそれぞれは、外ヨーク３１のヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの中央板部３３に対向する垂直板部４３と、この垂直板部４３の下端側からスプール１１のフランジ部１５の下面側に形成された半径方向に延長する溝１５ａ内に配置される水平板部４４とからＬ字状に形成されている。
永久磁石５１は、図１及び図３に示すように、外ヨーク３１のヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂにおける中央板部３３と、これに対向する内ヨーク４１のヨーク半体４２Ａ及び４２Ｂにおける垂直板部４２との間にそれぞれ介挿されて配置されている。これら永久磁石５１は、外側がＮ極に着磁され、内側がＳ極に着磁されている。

そして、外ヨーク３１のヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂのそれぞれは、図１及び図３に示すように、上方の対向板部３４がスプール１１のフランジ部１４の上端面と対向して配置され、下方の対向板部３５がスプール１１のフランジ部１５の下方に所定距離を保って配置されている。ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの対向板部３４には、図４に示すように、プランジャ２１の棒状部２２を挿通する半円形状の切欠３６が形成されている。
そして、外ヨーク３１のヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの厚みｔｏは例えば３．２ｍｍに設定され、内ヨーク４１のヨーク半体４２Ａ及び４２Ｂの厚みｔｉは例えば１ｍｍに設定されている。したがって、外ヨーク３１を構成するヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの厚みｔｏは、内ヨーク４１を構成するヨーク半体４２Ａ及び４２Ｂの厚みｔｉの約３倍に形成されている。
このように、外ヨーク３１のヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの厚みｔｏを内ヨーク４１のヨーク半体４２Ａ及び４２Ｂの厚みｔｉに対して約３倍に設定することにより、外ヨーク３１のヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの磁気抵抗をヨーク半体４２Ａ及び４２Ｂの磁気抵抗に比較して小さくすることができる。したがって、後述するように、励磁コイル１６に通電して永久磁石５１の着磁方向と逆方向となる磁束を形成した場合に、永久磁石５１の着磁方向と逆方向に磁束が通過する逆流磁束を抑制することができる。

また、外ヨーク３１のヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの最小幅すなわち中央板部３３とその上下端部の対向板部３４及び３５間の連結位置に形成された括れ部３７の幅が１６ｍｍに設定されて、最小幅となる括れ部３７の断面積が５１．２ｍｍに設定されている。この最小幅での断面積は、前述した従来例における同一厚みの外側ヨーク１０１の最小幅での断面積３０．１ｍｍに対して約１．７倍となっている。
このように、外ヨーク３１の各ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの厚み及び幅を調整して、最小幅での断面積を従来例に比較して大きく設定することにより、各ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂにおける磁気抵抗を図７に示す従来例に比較して小さくすることが可能となる。

さらに、外ヨーク３１の各ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂを純鉄のように比透磁率が２００，０００程度となる通常の鉄材例えばＳＰＣＣの比透磁率５，０００に対して十分に大きく、磁気抵抗が小さい磁性材料を適用することにより、ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの磁気抵抗をさらに小さくすることができる。
このように、外ヨーク３１の各ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの磁気抵抗を小さくすることにより、後述するように、励磁コイル１６に通電した場合に、プランジャ２１に生じる集中磁束を外ヨーク３１のヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂに分散させることができ、プランジャ２１と外ヨーク３１のヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂとの間で磁束密度バランスの最適化を図ることができる。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
今、コイル端子１７に直流電力が供給されていない励磁コイル１６の非通電状態では、永久磁石５１の磁束が内ヨーク４１の各ヨーク半体４２Ａ及び４２Ｂを通じて水平板部４４に伝達されることから、プランジャ２１に形成した第２のアーマチュア２４を吸引する。このため、図１〜図３に示すように、プランジャ２１の第２のアーマチュア２４が内ヨーク４１の各ヨーク半体４２Ａ及び４２Ｂの水平板部４４に吸着されて、第１のアーマチュア２３が外ヨーク３１の各ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの対向板部３４から上方に離間した非励磁位置となる。

この非励磁位置からコイル端子１７に直流電力を供給して、励磁コイル１６を通電状態とすると、励磁コイル１６が、永久磁石５１とは逆極性に励磁される。これによって、プランジャ２１にその下端側から上端側に向かう磁束が流れる。この磁束は、プランジャ２１の上端側に近接する外ヨーク３１の各ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの上方の対向板部３４から中央板部３３を経て下方の対向板部３５に流れる。このため、プランジャ２１に形成された第１のアーマチュア２３及び第２のアーマチュア２４と外ヨーク３１の上下の対向板部３４及び３５間に吸引力が働く。これと同時に、下側の第２のアーマチュア２４と内ヨーク４１の各ヨーク半体４２Ａ及び４２Ｂの対向板部３５との間に反発力が発生する。

このため、プランジャ２１が下方に移動して、第１のアーマチュア２３及び第２のアーマチュア２４が外ヨーク３１の各ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの対向板部３５側に吸着される励磁位置となる。
このように、励磁コイル１６が通電状態となって励磁状態となると、プランジャ２１に下側から上側に向かう磁束が流れるが、この磁束は、外ヨーク３１の各ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの磁気抵抗が小さく設定されているので、ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂ側にも流れることになり、プランジャ２１に形成される集中磁束がヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂに分散されて磁束密度バランスが最適化される。

このため、電磁石効率が向上されることになり、プランジャ２１で同一の操作力を得ようとした場合に、スプール１１に巻装される励磁コイル１６の巻回数を少なくすることが可能となる。したがって、直流操作用有極電磁石１０を小型化することが可能となり、交流操作用電磁石と同等の操作力を得るための構成を交流操作用電磁石と同等の大きさとして低コスト化を実現することができる。
また、外ヨーク３１の各ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの対向板部３４及び３５のプランジャ２１の第１のアーマチュア２３及び第２のアーマチュア２４と対向する面積が中央板部３３に比較して大きく設定されているので、磁気抵抗が小さくなり、両者間の磁束の伝達を良好に行うことができる。

さらに、外ヨーク３１の厚みｔｏが内ヨーク４１の厚みｔｉに対して約３倍に設定されており、外ヨーク３１の磁気抵抗が内ヨーク４１の磁気抵抗に比較して小さく設定されているので、励磁コイル１６を励磁状態としたときの、永久磁石５１とは逆極性の磁束が永久磁石５１を逆流することを確実に阻止できる。
また、外ヨーク３１を形成する磁性体の磁気抵抗が内ヨーク４１を形成する磁性体の磁気抵抗に対して小さく設定されているので、上記と同様に永久磁石５１とは逆極性の磁束が永久磁石５１を逆流することを確実に阻止できる。

なお、上記第１の実施形態においては、外ヨーク３１の各ヨーク半体３２Ａ及び３２Ｂの対向板部３４及び３５の幅を中央板部３３の幅より広く設定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い。すなわち、本発明では、中央板部３３と対向板部３４及び３５との幅を同一の幅に設定することも可能であり、要は最小幅での断面積を大きく維持できれば良いものである。
また、上記第１の実施形態においては、外ヨーク３１の厚みｔｏを３．２ｍｍ、内ヨーク４１の厚みｔｉを１ｍｍに設定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、外ヨーク３１の厚みｔｏ及び内ヨーク４１の厚みｔｉは任意に設定することができ、要は外ヨーク３１の厚みｔｏを内ヨーク４１の厚みｔｉに対して大きく設定してプランジャ２１と外ヨーク３１との間の磁束密度バランスを最適化できればよいものである。

次に、上述した直流操作用有極電磁石１０を使用した本発明に係る電磁接触器を第２の実施形態として図５〜図９を伴って説明する。
この第２の実施形態における電磁接触器６０は、図５に示すように、互いに連結される第１のフレーム６１Ａと第２のフレーム６１Ｂとで構成されている。
第１のフレーム６１Ａには、図８及び図９に示すように、前述した第１の実施形態で説明した直流操作用有極電磁石１０が内装され、第１の実施形態との対応部分には同一符号を付してその詳細説明はこれを省略する。

第２のフレーム６１Ｂには、図５及び図６に示すように、前端の例えば上端側に三相交流電源に接続される主回路電源側端子６２ａ及び補助端子６３ａが形成され、前端の下端側に三相電動モータなどの三相負荷に接続される主回路負荷側端子６２ｂ及び補助端子６３ｂが形成されている。
また、第２のフレーム６１Ｂには、直流操作用有極電磁石１０によってオン・オフ駆動される接点機構６４が内装されている。
この接点機構６４は、主回路電源側端子６２ａ及び補助端子６３ａに個別に接続された第１の固定接触子（図示せず）及び主回路負荷側端子６２ｂ及び補助端子６３ｂに個別に接続された第２の固定接触子（図示せず）と、第１の固定接触子及び第２の固定接触子間に接離可能に配置された可動接触子６５を保持する可動接触子ホルダ６６とを備えている。

可動接触子ホルダ６６は、図７〜図９に示すように、直流操作用有極電磁石１０のプランジャ２１に連結されている。すなわち、プランジャ２１に形成し第１のアーマチュア２３の上面に連結ばね６７が加締め部６８で固定されている。この連結ばね６７は、中央の平坦板部６７ａと、この平坦板部６７ａの左右両端部に形成された上に凸形状となる湾曲板部６７ｂ及び６７ｃとで構成されている。
一方、可動接触子ホルダ６６の後端面には、図８及び図９に示すように、プランジャ２１の連結ばね６７を固定する加締め部６８が挿通される空間部６６ａと、この空間部６６ａの左右両側に形成された連結ばね６７の湾曲板部６７ｂ及び６７ｃを挿入保持するばね収納部６６ｂ及び６６ｃとが形成されている。
そして、第１のアーマチュア２３の上面に固定された連結ばね６７の湾曲板部６７ｂ及び６７ｃを可動接触子ホルダ６６のばね収納部６６ｂ及び６６ｃ内に挿入して保持させることにより、プランジャ２１と可動接触子ホルダ６６とが一体化されている。

次に、上記第２の実施形態の動作を説明する。直流操作用有極電磁石１０の励磁コイル１６が非通電状態であって、プランジャ２１が非励磁位置にある状態では、図８及び図９に示すように、可動接触子ホルダ６６が第２のフレーム６１Ｂの前端内側に当接して、可動接触子６５が一対の固定接触子（図示せず）から前方に離間している。この状態では、各相の主回路電源側端子６２ａと主回路負荷側端子６２ｂとが電気的に遮断された開極位置となる。
この状態から直流操作用有極電磁石１０の励磁コイル１６に通電して励磁状態とすることにより、プランジャ２１が後方に移動され、これと同時に連結ばね６７で連結されている可動接触子ホルダ６６も後方に移動する。このため、各相の可動接触子６５が各相の一対の固定接触子に接触して主回路電源側端子６２ａ及び主回路負荷側端子６２ｂが可動接触子６５を介して電気的に接続される閉極状態となる。

このように、第２の実施形態によると、前述した第１の実施形態で説明した直流操作用有極電磁石１０によって、可動接触子ホルダ６６を可動させるので、直流操作用有極電磁石１０を同一の操作力を発生する通常の交流操作用電磁石と同等に小型化することができるので、この直流操作用有極電磁石１０を収納する第１のフレーム６１Ａの高さを短縮することができる。したがって、電磁接触器６０全体の高さを短縮することができ、電磁接触器６０を小型化することができる。
また、直流操作用有極電磁石１０を同等の操作力を発生する交流操作用電磁石と同等の大きさに小型化することができることにより、第１のフレーム６１Ａ及び第２のフレーム６１Ｂの構成で直流操作用有極電磁石１０及び交流操作用電磁石を収納することが可能となり、第１のフレーム６１Ａ及び第２のフレーム６１Ｂを共通化することが可能となる。

１０…直流操作用有極電磁石、１１…スプール、１２…中心開口、１３…円筒部、１４，１５…フランジ部、１６…励磁コイル、２１…プランジャ、２２…棒状部、２３…第１のアーマチュア、２４…第２のアーマチュア、３１…外ヨーク、３２Ａ，３２Ｂ…ヨーク半体、３３…中央板部、３４，３５…対向板部、４１…内ヨーク、４２Ａ，４２Ｂ…ヨーク半体、４３…垂直板部、４４…水平板部、５１…永久磁石、６０…電磁接触器、６１Ａ…第１のフレーム、６１Ｂ…第２のフレーム、６２ａ…主回路電源側端子、６２ｂ…主回路負荷側端子、６３ａ，６３ｂ…補助端子、６５…可動接触子、６６…可動接触子ホルダ、６６ａ…空間部、６６ｂ，６６ｃ…ばね収納部、６７…連結ばね

Claims (5)

1. 励磁コイルを巻装した中心開口を有するスプールと、
   該スプールの中心開口に挿通され、当該中心開口から突出する両端に第１及び第２のアーマチュアを個別に取付けたプランジャと、
   前記第１のアーマチュアを吸引するように前記スプールの対向側面を囲む外ヨークと、
   前記第２のアーマチュアを吸引するように前記外ヨークの内側に配置された内ヨークと、
   前記外ヨークと前記内ヨークとの間に配置された永久磁石とを備え、
   前記外ヨークは、前記スプールの側面に対向する中央板部と、該中央板部の前記スプールの中心軸方向の両端に形成された一対の対向板部とでＵ字状に形成され、前記一対の対向板部の幅が前記中央板部の幅より広く形成されていることを特徴とする直流操作用有極電磁石。
2. 前記外ヨークは、厚みを前記内ヨークの厚みより厚くしたことを特徴とする請求項１に記載の直流操作用有極電磁石。
3. 前記外ヨークの厚みが前記内ヨークの厚みの３倍に設定されて前記外ヨークの磁気抵抗が前記内ヨークの磁気抵抗より小さく設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の直流操作用有極電磁石。
4. 前記外ヨークを形成する磁性体の磁気抵抗が前記内ヨークを形成する磁性体の磁気抵抗に対して小さく設定されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の直流操作用有極電磁石。
5. 請求項１から４の何れか１項の直流操作用有極電磁石のプランジャで可動接触子を保持する可動接触子ホルダを可動させることを特徴とする電磁接触器。

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