JP2005166429A - 釈放形電磁ソレノイド - Google Patents

Abstract

【課題】回路遮断器の引外し用電磁ソレノイドについて、組立の簡易化および釈放動作の安定化を図って低コスト，高信頼性が達成できるよう組立構造を改良する。
【解決手段】常時は永久磁石がプランジャーを待機位置に吸引保持し、引外し信号を受けて通電する釈放コイルが永久磁石に反磁界を与えてプランジャーを釈放動作させる釈放形電磁ソレノイドを次のように構成する。すなわち、樹脂モールド品になるコイル巻枠１０ａに巻装した釈放コイル１０と、これと同軸上に配置したリング状の永久磁石１８と、Ｕ字形フレーム１４と平形フレーム１５を組み合わせた継鉄１２と、大径な先端部９ｂと小径な軸部９ｃを形成した段付き構造のプランジャー９と、該プランジャーを釈放位置に向けて付勢する釈放バネ１３との組立体で構成し、ここで前記のコイル巻枠には下方に延在する磁石支持ガイド１０ａ-1を一体成形してここにリング状永久磁石を嵌挿保持するようにし、さらにプランジャーの軸部が貫通する継鉄上面の貫通穴内周面に非磁性材で作られたプランジャーガイド１９を設けてプランジャーを片寄り吸着なしに案内支持させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、配線用遮断器, 漏電遮断器などの引外し装置に適用する釈放形電磁ソレノイドに関する。

頭記の回路遮断器には、過電流引外し装置, 漏電引外し装置, あるいは付属装置の電圧引外し装置などを装備し、引外し信号により遮断器をトリップ動作させるようにしている。また、この引外し装置にはプランジャー形の電磁ソレノイドを用い、その釈放動作により開閉機構のトリップクロスバーを叩いてラッチを釈放し、主回路接点を開極するようにしている。
ここで、漏電遮断器を例に回路遮断器の構成を図３に、またその引外し装置に適用する釈放形電磁ソレノイドの従来構成を図４に示す。図３において、１は下部ケース１ａと上部カバー１ｂからなる２分割構造の遮断器ケース、２は主回路端子に連なる固定接触子、３は可動接触子、４はトグルリンク４ａ，開閉スプリング４ｂからなるトグルリンク式の開閉機構、５は操作ハンドル、６は過電流引外し装置、７は遮断器ケース１に内装した漏電引外しユニットであり、この漏電引外しユニット７には図４に示す釈放形電磁ソレノイド８が組み込まれている。

この釈放形電磁ソレノイド８は、常時は内蔵の永久磁石により釈放バネで付勢されたプランジャーを吸引位置に保持しておき、引外し信号を受けて通電する釈放コイルが永久磁石に反磁界を与えてプランジャーを釈放動作させるようにしたものであり、図４で示すようにプランジャー９，釈放コイル１０，永久磁石１１，継鉄１２，釈放バネ１３の各部品を組み合わせた構成になる。なお、図示してないがプランジャー９にはバネ受け９ａを含む操作部材を結合し、該操作部材を介して電磁ソレノイドの釈放動作時に回路遮断器の開閉機構のトリップクロスバーを叩くようにしている。
ここで、釈放コイル１０は樹脂モールド品になる筒形のコイル巻枠１０ａに巻装されている。また、継鉄１２は磁性の板材（鋼板）を屈曲したＵ字形フレーム１４と、該フレーム１４の上端側脚部の間に架け渡した平形フレーム１５とを組み合わせて釈放コイル１０，永久磁石１１に共通な磁気回路を構成している。そして、上下（厚さ）方向に磁化したブロック状の永久磁石１１が磁極面（Ｓ極）を下側に向けて前記Ｕ字形フレーム１４の底面上に重ね、上面のＮ極の磁極面にはポールピース１６を重ねて釈放コイル１０の下側に介装されている。

また、プランジャー９は強磁性材の円柱体であり、継鉄１２の平形フレーム１５の中央に開口（バーリング加工）した貫通穴１５ａを通して釈放コイル１０のコイル巻枠１０ａの内方に挿通し、継鉄１２から上方に突き出した軸端部に設けた鍔状のバネ受け９ａと継鉄上面との間に釈放バネ（圧縮スプリング）１３を介挿してプランジャー９を釈放方向（矢印Ｐ）にバネ付勢している。なお、１７はコイル巻枠１０ａの内周に嵌め込んだ非磁性材（銅）のプランジャーガイドであり、該ガイドでプランジャー９を上下スライド可能に案内支持している。
上記の構成で、回路遮断器をリセット操作してプランジャー９を図示の待機位置に押し込むと、釈放バネ１３が蓄勢された状態でプランジャー９が永久磁石１１の磁力でこの位置に吸引保持される。この吸引保持状態では永久磁石１１のＮ極から出た磁束φm がポールピース１６，プランジャー９，継鉄１２を経由するルートを通ってＳ極に戻る。なお、釈放バネ１３のバネ力をＦ1 ，永久磁石９の磁気吸引力をＦ2 として、Ｆ2 はＦ1 よりも大である（Ｆ2 ＞Ｆ1 ）。

一方、この状態で図３に示した回路遮断器の主回路に漏電電流が流れ、これを検知した漏電検出回路からの信号で釈放コイル１０に励磁電流を通電すると、コイルの起磁力（アンペアターン）により永久磁石１１の磁力を打ち消す方向に磁界が生じ、その磁束φi は継鉄１２，プランジャー１１，および永久磁石１１を経由するルートを通って永久磁石１１の磁束φm と逆方向に流れる。これにより、プランジャー９に作用する磁気吸引力が低下し、プランジャー９は釈放バネ１３の蓄勢バネ力により釈放位置に突き出して回路遮断器をトリップ動作させる。
ところで、上記構成の電磁ソレノイドでは、釈放コイル１０の通電による磁束φi が永久磁石１１（一般に、磁石材料で作られた永久磁石の透磁率は鋼板などの磁心材に比べて非常に小さい）を通ることから、釈放コイル１０から見た磁気回路の磁気抵抗が大きくなる。このために、釈放コイル１０に要求される起磁力が大となってコイル巻回数が増えることからコイル，ひいては電磁ソレノイドが大形化する。

一方、前記と同様な釈放形の電磁ソレノイドについて、プランジャーを吸引保持する永久磁石にリング状の永久磁石を採用し、このリング状の永久磁石にプランジャーを挿通させて釈放コイルの通電による磁束φi が永久磁石を経由せずにプランジャーから直接継鉄を通るようにし、また永久磁石には「ポールシュー」と称するポールピースを組み合わせてプランジャーの外周面に対峙させて永久磁石とプランジャーとの間の磁気回路を形成するようにした構成のものが知られている (例えば、特許文献１参照）。
この構成によれば、釈放コイルの磁束が永久磁石をバイパスするルートを通るので、コイルから見た磁気回路の磁気抵抗が小さくなる。したがって、図４に示した電磁ソレノイドと比べて釈放コイルに要求される起磁力が小さくて済むので、その分だけコイル巻回数を少なくして小形化が可能となる。
特開２００１−３５３４４号公報

先記のように回路遮断器に搭載する引外し装置の電磁ソレノイドについては、できるだけ少ない部品点数，組立工数で小形，かつ低コストに製作できること、また動作面でも安定した吸引，釈放動作と高い信頼性を確保できることが望まれる。
そこで、発明者等は図４に示した従来の電磁ソレノイドに採用されているブロック形の永久磁石１１を、先記の特許文献１に開示されているようなリング状の永久磁石とポールシューに置き換えて製品化することを念頭に様々な角度から検討したところ、構造，機能面で次記のような解決すべき問題点が摘出された。すなわち、
(1) 継鉄の内方に釈放コイル，リング状の永久磁石を所定位置に組付けるには、その各部品を定位置に保持する組立構造が簡単で，かつその部品点数も少ないことが望まれる。
かかる点、釈放コイルの内周側に配置したリング状の永久磁石にポールシューを組み合わせてプランジャーの周面に対峙させるようにした特許文献１の構造では、釈放コイルの外径が大きくなるほか、部品点数も多くなってその組立構造が複雑化する。

(2) また、図４のように継鉄１２の平形フレーム１５に開口した貫通穴１５ａの内周面とこの穴を貫通するプランジャー９とが遊び隙間を隔てて直接対面していると、該部分を通る磁束の磁気吸引力によりプランジャー９が片寄りして貫通穴１５ａの内周面に直接吸着されるようになる。このために、プランジャー９の移動に対する負荷荷重が増して電磁ソレノイドの吸引，釈放特性が不安定となる。
(3) さらに、回路遮断器では電流遮断に伴って発生した高温のアークにより消弧室には塵状の生成異物が生じ、この生成異物が遮断器ケース内の全域に拡散する。この場合に、生成異物が電磁ソレノイドのプランジャーと継鉄，釈放コイルのコイル巻枠との間の隙間に侵入して付着すると、齧りが生じてプランジャーの動きが円滑性を欠くようになるほか、生成異物がプランジャーの先端面と対向する継鉄の底面上に堆積すると、永久磁石の吸引力がプランジャーに十分に作用しなくなってプランジャーが不測に釈放するなどの誤動作を生じるおそれがある。

かかる点、図４で示したように継鉄１２，釈放コイルのコイル巻枠１０ａによって周囲が囲まれた空間内に円柱状（全長で同じ径寸法）のプランジャー９を挿通した構造では、リセット，釈放動作に伴うプランジャー９の移動に伴って前記空間内の気体容積が大きく変化するために、周囲から隙間を通じて前記空間（プランジャーの移動空間）内に塵状の生成異物を吸い込み易くなる。また、継鉄１２の平形フレーム１５に開口した貫通穴１５ａとプランジャー９の周面との間の隙間について見ると、この貫通穴を貫通するプランジャーの軸径が大きいほど周方向の隙間長さが大きくなって塵状の生成異物が侵入し易くなる。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、組立構造の簡易化，および釈放動作の安定化を図って低コスト，高信頼性が達成できるよう改良した回路遮断器の引外し用電磁ソレノイドを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、引外し信号のないときは永久磁石が釈放バネに抗してプランジャーを吸引位置に吸引保持し、引外し信号を受けて通電する釈放コイルが永久磁石に反磁界を与えてプランジャーを釈放動作させるようにした釈放形の電磁ソレノイドを次のように構成するものとする。すなわち、
電磁ソレノイドは、樹脂モールド品になるコイル巻枠に巻装した釈放コイルと、該釈放コイルと同軸上に並べて配置したリング状の永久磁石と、Ｕ字形フレームと該フレームの脚間に架け渡した平形フレームを組み合わせて釈放コイルおよび永久磁石を囲繞する継鉄と、釈放コイルおよび永久磁石の内方に挿通して先端面を前記Ｕ字形フレームの底面に対峙させ、かつ後端側の軸部を前記平形フレームに開口した貫通穴を通して外方に突き出したプランジャーと、該プランジャーを釈放位置に向けて付勢する釈放バネとの組立体になり、しかも前記釈放コイルのコイル巻枠にはその端部から軸方向に延在してリング状の永久磁石を嵌挿保持する筒状の磁石支持ガイドを一体成形するものとする（請求項１）。

また、前記構造の実施態様として次記のような構成がある。
(1) 前記の永久磁石として、その上下端面がＮ，Ｓ極となるようリングの軸線方向に着磁した永久磁石を用いる（請求項２）。
(2) 前記の永久磁石として、リングの内外周面がＮ，Ｓ極となるよう径方向に着磁した永久磁石を用いる（請求項３）。
(3) 継鉄の平形フレームに開口した貫通穴の内側に非磁性材で作られた筒状のプランジャーガイドを設け、該プランジャーガイドを摺動軸受としてプランジャーをスライド可能に案内支持する（請求項４）。
(4) 前項(3) に記したプランジャーガイドを、釈放コイルのコイル巻枠と一体にその端部から軸方向に延在形成する（請求項５）。

(5) プランジャーは、その後端側軸部の軸径がプランジャー先端部よりも小径な段付き構造となし、その後端側の小径軸部を継鉄の平形フレームに開口した貫通穴を通して外方に引き出すようにする（請求項６）。

回路遮断器に搭載して用いる引外し用の釈放形電磁ソレノイドを上記のように構成することにより、次記の効果を奏する。
(1) 釈放コイルのコイル巻枠に、その端部から軸方向に延在してリング状の永久磁石を嵌挿保持する筒状の磁石支持ガイドを一体成形した請求項１の構成により、リング状の永久磁石をコイル巻枠に一体形成した前記支持ガイドに嵌挿することで釈放コイルと一緒に継鉄内方の定位置に組付けることができ、これにより少ない部品点数，組立工数で電磁ソレノイドを組み立てることができる。しかも、永久磁石はポールピースを介さずにリング状磁石の上端面，もしくは内周面に着磁されている磁極面をプランジャーの周面に対峙させるようにしたことにより、ポールピースを付設した場合と比べて遜色のない磁気吸引力を発揮させつつ、部品点数の削減，ならびに電磁ソレノイドの小形化が図れる。

(2) 継鉄の平形フレームに開口した貫通穴の内側に非磁性材で作られたプランジャーガイドを設け、該プランジャーガイドを摺動軸受としてプランジャーをスライド可能に案内支持するようにした請求項４の構成によれば、継鉄の貫通穴に通したプランジャーが片寄りして継鉄に吸着される不具合（負荷荷重の増加）が回避され、かつ該プランジャーガイドはプランジャーが円滑にスライド移動できるように案内支持するので、これにより安定した釈放特性が確保できて信頼性が向上する。
(3) 前項(2) のプランジャーガイドを釈放コイルのコイル巻枠と一体にその端部から軸方向に延在形成した請求項５の構成によれば、電磁ソレノイドを構成する部品点数，組立工数を削減してコストダウンが図れる。
(4) さらに、プランジャーの後端側軸部の軸径がプランジャー先端部よりも小径にした段付き構造とし、その後端側の小径軸部を継鉄の平形フレームに開口した貫通穴を通して外方に引き出すようにした請求項６の構成によれば、リセット，釈放動作に伴うプランジャーの移動に伴うソレノイド内部の空間（継鉄，釈放コイルコイル巻枠，リング状永久磁石で囲まれたプランジャーの移動空間）内の気体容積変化が従来の円柱形プランジャーと比べて小さくなる。これにより、回路遮断器の電流遮断に伴い遮断器ケース内に発生した生成異物が周囲から前記のプランジャー移動空間内に侵入するのを抑制できる。また、プランジャーの後端側軸部の軸径を小さくしたことにより、継鉄の平形フレームに開口した貫通穴も小径となってプランジャーとの間の隙間長さが縮小するので、その分だけ従来構造と比べて周囲からの生成異物が侵入し難くなる。

以下、本発明の実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で、図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

図１は本発明の請求項１，２，４，６に対応する電磁ソレノイドの実施例を示すものである。
この実施例の電磁ソレノイド８においては、図４におけるブロック状の永久磁石１１に代えてリング状の永久磁石１８が採用されており、図示の吸引状態ではプランジャー９をリング状の永久磁石１８の中空部に嵌挿し、その先端面を継鉄１２のＵ字形フレーム１４の底面に突き当ててこの位置に吸引保持するようにしている。なお、永久磁石１８はその上面がＮ極，下面がＳ極と成るように高さ方向（リング状磁石の軸線方向）に着磁されている。
ここで、前記の永久磁石１８は、釈放コイル１０のコイル巻枠（樹脂モールド品）１０ａと一体形成してその下端部から下方に延在する円筒状の磁石支持ガイド１０ａ-1の外周側に嵌挿して定位置に保持するようにしている。

また、前記コイル巻枠１０ａと継鉄１２とで囲まれた空間に嵌挿したプランジャー９は、図示のようにその長手方向に大径な先端部９ｂ（軸径：ｄ1 ）と小径な後端側の軸部９ｃ（軸径：ｄ2 ）を形成した段付き構造になり、小径な軸部９ｃが継鉄１２の上面側に配した平形フレーム１５に穿孔した貫通穴を通して外部に突き出している。
さらに、この実施例では、平形フレーム１５に穿孔した貫通穴の内周面に、銅，あるいは樹脂で作られた摩擦係数の小さな非磁性材で作られた鍔付きの筒形形状になるプランジャーガイド１９を設け、このプランジャーガイド１９を介して継鉄の貫通穴に通したプランジャー９の軸部９ｃをスライド可能に案内支持するようにしている。
上記の構成において、回路遮断器のリセット操作でプランジャー９を図示の待機位置に押し込むと、リング状永久磁石１８の磁力によりこの位置に吸引保持される。また、この状態では永久磁石１８の磁束φm はＮ極から出てプランジャー９の大径な先端部９ｂの周面に入り、その先端面から継鉄１２のＵ字形フレーム１４の底面を経由して永久磁石１８のＳ極に戻るルートを通る。

この状態で、引外し信号により釈放コイル１０に通電すると、永久磁石１８の磁力を打ち消すように磁束φi が継鉄１２からプランジャー９を経由するルートに流れる。この場合に磁束φi は、図示のように永久磁石１８を迂回して継鉄１２のＵ字形フレーム１４の底面から直接プランジャー９の先端部９ｂに入り、その軸部９ｃから非磁性のプランジャーガイド１９を経由して継鉄１２の平形フレーム１５に戻るような閉ループのルートを通る。したがって、釈放コイル１０から見た磁束φi の磁路抵抗は図４の構成（磁束φi が透磁率の小さな永久磁石１１を通る）と比べて小さくなり、その分だけ釈放コイル１０に要求される起磁力，したがってコイルの巻回数が少なくて済むので小形化できる。
また、継鉄１２の平形フレーム１５の貫通穴内周面にプランジャーガイド１９を設けてプランジャー９を案内支持するようにしたので、従来の構成で問題となっていたプランジャーの片寄り吸着を回避して安定した釈放動作を確保できる。

さらに、プランジャー９の形状を前記のように段付き構造としたことにより、電磁ソレノイドのリセット，釈放動作に伴ってプランジャー９が前記コイル枠１０ａと継鉄１２で囲まれた空間内で移動する際には、前記空間内の気体容積の変化が図４に示した円柱形のプランジャーと比べて小さくなる。すなわち、電磁ソレノイドの釈放動作によりプランジャー９が図示の待機位置から矢印Ｐ方向に突き出し移動する場合を考えると、プランジャー９の小径な軸部９ｃとその移動空間を包囲するコイル巻枠１０ａとの間の空隙を満たしていた気体（空気）がプランジャー９の上昇移動に伴って継鉄１２の底面とプランジャー９の先端部９ｂとの間に生じる空隙側に回り込むので、トータル的に前記の気体容積変化は小さい。これにより、周囲から前記空間内に吸い込まれて継鉄１２の底面上に堆積する異物（遮断器の電流遮断に伴うアークによって発生，拡散した塵状の生成異物）の量が少なくなるので、長期使用にも係わらず永久磁石１８の磁力でプランジャー９を図示の待機位置に安定よく吸引保持できる。同様に継鉄１２の平形フレーム１５の貫通穴を通して外部に引き出したプランジャーの軸部９ｃの軸径ｄ2 が小さいので、前記貫通穴の隙間長も小さくなって外部から異物が侵入し難くなる。この結果、周囲から空間内に侵入する塵状異物が原因となる不測な釈放誤動作を防いで電磁ソレノイドの信頼性が向上する。

なお、電磁ソレノイド８の組立工程では、釈放コイル１０を巻装したコイル巻枠１０ａの磁石支持ガイド１０ａ-1にリング状の永久磁石１８を嵌挿保持した上で、この組立体を継鉄１２のＵ形フレーム１４の中に嵌め込む。一方、貫通穴に非磁性のプランジャーガイド１９を取り付けた平形フレーム１５にプランジャー９の軸部９ｃを下側から嵌挿した上で、その上面側でバネ受け９ａ，釈放バネ１３を組付ける。そして、この組立体の平形フレーム１５を前記組立体のＵ形フレーム１４の上端に重ね合わせてねじ止めする。これにより、少ない部品点数，組立工数で電磁ソレノイド８を組み立てることができる。

次に本発明の請求項１，３，５，６に対応する実施例の構成を図２に示す。この実施例においては、先記実施例１と比べてリング状の永久磁石１８は、その内周，外周面がＮ極，Ｓ極となるようにリングの半径方向に着磁されている。さらに釈放コイル１０のコイル巻枠１０ａには、その下端部から下方に延在してリング状永久磁石１８を嵌挿保持する筒状の磁石支持ガイド１０ａ-1のほか、巻枠の上端側から上方に延在してプランジャー９の軸部９ｃと継鉄１２の平形フレーム１５に開口した貫通穴との間の隙間に嵌入する筒状のプランジャーガイド１０ａ-2が一体に形成されている。つまり、樹脂モールド品になるコイル巻枠１０ａを基体としてリング状永久磁石１８および図１に示した独立部品のプランジャーガイド１９を一体化できるので、図１の実施例１と比べて部品点数の削減化が図れる。なお、この実施例の電磁ソレノイド８は実施例１の組立手順と若干異なり、釈放コイル１０のコイル巻枠１０ａを継鉄のＵ形フレーム１４に嵌め込む前の段階で、プランジャー９の軸部９ｃをコイル巻枠１０ａに下側から通しておくようにする。

本発明の実施例１に対応する電磁ソレノイドの構成断面図 本発明の実施例２に対応する電磁ソレノイドの構成断面図 引外し用電磁ソレノイドを搭載した回路遮断器全体の構成図 図３の回路遮断器に装備した引外し用電磁ソレノイドの従来構成の断面図

符号の説明

８ 電磁ソレノイド
９ プランジャー
９ｂ 先端部
９ｃ 後端側軸部
１０ 釈放コイル
１０ａ コイル巻枠
１０ａ-1 磁石支持ガイド
１０ａ-2 プランジャーガイド
１２ 継鉄
１３ 釈放バネ
１４ 継鉄のＵ形フレーム
１５ 継鉄の平形フレーム
１５ａ 貫通穴
１８ リング状永久磁石
１９ プランジャーガイド

Claims (6)

1. 引外し信号のないときは永久磁石が釈放バネに抗してプランジャーを吸引位置に吸引保持し、引外し信号を受けて通電する釈放コイルが永久磁石に反磁界を与えてプランジャーを釈放動作させるようにした釈放形の電磁ソレノイドにおいて、
   電磁ソレノイドが、樹脂モールド品になるコイル巻枠に巻装した釈放コイルと、該釈放コイルと同軸上に並べて配置したリング状の永久磁石と、Ｕ字形フレームと該フレームの脚間に架け渡した平形フレームを組み合わせて釈放コイルおよび永久磁石を囲繞する継鉄と、釈放コイルおよび永久磁石の内方に挿通して先端面を前記Ｕ字形フレームの底面に対峙させ、かつ後端側の軸部を前記平形フレームに開口した貫通穴を通して外方に突き出したプランジャーと、該プランジャーを釈放位置に向けて付勢する釈放バネとの組立体になり、かつ前記釈放コイルのコイル巻枠にはその端部から軸方向に延在してリング状の永久磁石を嵌挿保持する筒状の磁石支持ガイドを一体成形したことを特徴とする釈放形電磁ソレノイド。
2. 請求項１に記載の電磁ソレノイドにおいて、リング状の永久磁石が、その軸線方向に着磁されていることを特徴とする釈放形電磁ソレノイド。
3. 請求項１に記載の電磁ソレノイドにおいて、永久磁石が、リングの径方向に着磁されていることを特徴とする釈放形電磁ソレノイド。
4. 請求項１に記載の電磁ソレノイドにおいて、継鉄の平形フレームに開口した貫通穴の内側に非磁性材で作られた筒状のプランジャーガイドを設け、該プランジャーガイドを摺動軸受としてプランジャーをスライド可能に案内支持したことを特徴とする釈放形電磁ソレノイド。
5. 請求項４に記載の電磁ソレノイドにおいて、プランジャーガイドを、釈放コイルのコイル巻枠と一体にその端部から軸方向に延在形成したことを特徴とする釈放形電磁ソレノイド。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の電磁ソレノイドにおいて、プランジャーは、その後端側軸部の軸径がプランジャー先端部よりも小径な段付き構造になることを特徴とする釈放形電磁ソレノイド。

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