JP6442013B2

JP6442013B2 - リレー

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Publication number: JP6442013B2
Application number: JP2017174684A
Authority: JP
Inventors: ペーターボーベルト，
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2014-06-04
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: JP2018010877A; US20160172138A1; DE102014107884A1; WO2015185371A1; JP2016524302A; EP2994929A1; US10395870B2

Description

本発明はリレーに関する。リレーは電磁気的な活動スイッチであり、該活動スイッチは電流によって作動され、少なくとも１つの切り換え位置を有する。

リレーは、２つの端子を電気的に非接続及び電気的に接続する広く且つ多様な使用分野で必要とされている。リレーの使用分野の１つは例えば、電気的に作動される車両である。このような車両では、リレーによって断接されるべき高いＤＣ電圧が屡々発生する。

電気的に作動される車両のバッテリの容量に対し、その負荷を可能な限り小さくするため、リレーによるエネルギ消費は可能な限り少なくするべきである。

それ故、本発明の目的は例えば、エネルギ消費を低減できる利用可能且つ改善されたリレーを提供することにある。

該目的は本請求項１のリレーによって達成される。

リレーが提案され、該リレーは、第１端子と、第２端子と、閉状態にて第１端子と第２端子との間の電気的な接続をもたらし、開状態にて第１端子と第２端子との間の電気的な非接続をもたらす接点と、接点に機械的に連結されたアーマチャと、第１電磁石であって、当該第１電磁石がオンに切り換えられれば、アーマチャを第１位置から第２位置に移動させて、上記接点を閉状態とする第１電磁石と、第２電磁石であって、上記の接点が閉状態にあって、当該第２電磁石がオンに切り換えられていれば、アーマチャを第２位置に維持し且つ上記接点を閉状態に維持する第２電磁石とを具備し、第２位置にて、アーマチャは該アーマチャと第２電磁石との間にエアギャップ無しで第２電磁石に当接し、第１電磁石（５）および第２電磁石（６）は、上記第１位置から上記第２位置への移動の方向に沿って互いにずれており、第２電磁石（６）は、前記第２位置において前記アーマチャ（７）に当接するように配設されている。

第１及び第２電磁石は互いに別個の２つの電磁石である。２つの電磁石はリレー内で他の電磁石とは独立してオン・オフに切り換えられる。

それ故、リレーを働かせる方法は、接点の閉作動と、閉じた接点の維持との２つの異なるサブステップに細分可能であると認識されている。異なる電磁石がサブステップの各々に対して責任を果たすことができ、これにより、サブステップの各々にて、実際に要求されるエネルギ消費のみが課題となる。特に、接点の閉状態では、該接点は第２電磁石のみによって閉じた状態に維持可能となる。この場合、第２電磁石は第１電磁石よりも低いエネルギ消費を有するように構成され、各電磁石では、その電磁石におけるオンの切り換え状態でのエネルギ消費が考慮される。

第１電磁石は、接点における経時的且つ比較的短い閉作動のためのみに、オンに切り換えられなければならない。従って、第１電磁石におけるオンの切り換え時間が第２電磁石に比べて非常短いので、第１電磁石による相対的に高いエネルギ消費はリレーの全エネルギバランスにて如何なる影響をも殆ど有していない。

第１電磁石は常時、一時的にオンに切り換えられだけであるので、オンへの短い切り換え時間のため、第１電磁石はオーバドライブで作動可能である。特に、経時的にみてオンへの制限された切り換え期間を有する磁石は第１電磁石として使用可能である。また、例えば、第１電磁石の冷却はオンの切り換え期間が非常に短いため、重大なものとはならず、第１電磁石はコンパクトなデザインを有することができる。

また、第２電磁石に低電流消費の電磁石が使用できるので、第２電磁石は相対的に小さい。

接点は開状態及び閉状態を有する。接点は第１電磁石に機械的に連結することができ、この結果、第１電磁石は接点を開状態から閉状態に移行させることができる。付け加えて、閉状態にて接点は第２電磁石に支えられ、この結果、第２電磁石は接点を閉状態に維持可能である。

付け加えて、第２電磁石は、その磁場が接点を閉状態に維持するのに充分に強く、そして、接点を開状態から閉状態に移動させるには余りにも弱いように構成されている。このようにして第２電磁石は接点を最少のエネルギ消費でもって閉状態に維持する要求に対し、理想の態様で適合可能である。

付け加えて、第２電磁石は、第１電磁石がオフに切り換えられれば、接点を閉状態に維持するように構成されている。従って、第１電磁石には接点を開状態から閉状態に移動させることのみが要求される。接点が閉状態に達するや否や、第１電磁石はオフに切り換えられ、この結果、第１電磁石には更なるエネルギが要求されない。

リレーは、開状態から閉状態への接点の切り換えプロセスによって、第１電磁石がオフに切り換えられるように構成されている。このようにして第１電磁石がリレーの機能に最早要求されなくなると直ちに、第１電磁石のオフへの切り換えが確実に可能となる。従って、要求される最少のエネルギ量のみが第１電磁石によって消費される。

また、リレーは、接点が閉状態にあれば、第１電磁石をオフに切り換える装置を有することができる。該装置は例えば、マイクロスイッチであり、該マイクロスイッチは接点が閉状態に達すると直ちに作動される。

付け加えて、リレーはタイマスイッチを有することができ、該タイマスイッチは接点が開状態から閉状態に移動して所定時間の経過後に第１電磁石をオフに切り換える。例えば、装置はキャパシタであり、該キャパシタを介して電流が最初に流れ、この結果、第１電磁石がオンに切り換えられ、そして、所定時間の経過後、キャパシタの充電がその最大となってキャパシタはオフに切り換わり、この結果、第１電磁石がオフに切り換えられる。所定のオンへの切り換え時間の後、第１電磁石を再びオフに切り換える他の装置もまた使用可能である。このような装置は、リレーの活動状態の開始時、第１電磁石を最初にオンに切り換えることと、この後、短時間の後に第１電磁石をオフに切り換えることとの両方を許容する。このようにして第２電磁石にはオンへの切換えプロセスに多くの時間が与えられ、この結果、第２電磁石は第１電磁石がオフに切り換えられる前に所望の強度の磁場を確立することができる。

第１電磁石はリフト磁石である。該リフト磁石は接点を移動させるのに使用できる。従って、リフト磁石は接点を１つの位置から他の位置に移動させる仕事に対して理想的に適する。

第２電磁石は保持磁石である。該保持磁石はエアギャップを有しておらず、この構成に起因して同等のリフト磁石よりも大幅により強力である。保持磁石は接点を閉状態に維持する仕事にとって理想的に構成される。特に、閉状態にて、アーマチャは保持磁石に当接し、それ故、言わば保持磁石に吸着する。

また、リレーは、第２磁石がオフに切換えられれば、接点が閉状態から開状態に移動されるように構成できる。この場合、２つの電磁石の何れもオンに切り換えられておらず、この結果、エネルギ消費が生じない。接点が閉作動した後、第１電磁石がオフに切り換えられている事実の結果として、今、必要とされる全てのことは第２電磁石の磁場を低減することであり、そして、小さな力のみが生じるだけであるから、接点の開動作中における総復帰時間は非常に短い。

オンへの切換え状態において、第２電磁石は第１電磁石がそのオンへの切換え状態で作動される電力によりも低い電力で作動可能である。例えば、第２電磁石は５０〜２５０ｍＡの電力消費を有する。

付け加えて、第１電磁石は第２電磁石よりも高い強度の磁場を発生するように構成されている。この相対的に高い磁場は単に接点を閉じるために要求される。

更なる見地によれば、本発明は接点装置に関し、該接点装置は上述のリレーを有し、ここでリレーはガス充満容積内に配置されている。接点装置は大きな電力レベルのためのスイッチである。このような接点装置は例えば、電気的に作動される車両内で使用される。従って、高い電流強度の直流がリレーの端子間を流れることができる。そして、接点が開かれたなら、フラッシュオーバ(flashover)が生じ得る。しかしながら、ガス充満容積はフラッシュオーバを妨げるか又は減少させることができる。

本発明は図面及び例示的な実施形態を参照して以下に詳細に説明される。

休止状態にあるリレーを示す図である。活動状態にあるリレーを示す図である。休止状態にある第２実施形態のリレーを示す図である。活動状態にある第２実施形態のリレーを示す図である。リレーの回路図である。変形例のリレーの回路図である。

図１はリレー１を示し、該リレー１は第１端子２及び第２端子３を有する。第１及び第２端子２，３間には接点４が配置されている。該接点４は開状態又は閉状態の何れかをとることができる。図１は接点４の開状態を示している。開状態において、接点４はリレー１の第１及び第２端子２，３を互いに電気的に非接続としている。従って、電流はリレー１を介して流れることができない。リレー１は休止状態にあり、該休止状態は接点４が開状態にあり、電流が流れないことに特徴付けられる。

また、リレー１は第１電磁石５及び第２電磁石６を有する。第１及び第２電磁石５，６はそれぞれオン・オフに切り換え可能である。リレー１が図１に示された休止状態にある場合、第１及び第２電磁石５，６はオフに切り換えられている。

第１電磁石５はリフト磁石である。それ故、第１電磁石５はアーマチャ７を有し、第１電磁石５がオンに切り換えられたとき、該アーマチャ７は第１位置から第２位置に移動される。図１は第１位置にあるアーマチャ７を示している。アーマチャ７は接点４に機械的に連結されている。この目的のため、アーマチャ７はプレート８を有し、該プレート８上に接点４が取り付けられている。アーマチャ７が第１電磁石５のオンへの切り換えにより、第１位置から第２位置に移動されれば、この移動は接点４をも作動させる。即ち、接点４はその開状態から閉状態に作動される。

第２電磁石６は保持磁石である。第２電磁石６はその磁場がアーマチャ７を第１位置から第２位置にリフトさせるには充分に強くないものの、アーマチャ７が第２位置に既にあれば第２位置に維持するのには充分に強いように構成されている。第２位置において、アーマチャ７は第２電磁石６に当接する。従って、第２電磁石６はその磁場が接点４を開状態から閉状態に作動させるには充分に強くないものの、接点４を閉状態に維持するには充分に強いように構成されている。

付け加えて、リレー１は第１電磁石５をオフに切り換えるための装置９を有する。図１に示された実施形態において、装置９はマイクロスイッチである。該マイクロスイッチは、アーマチャ７がその第１位置から第２位置に移動されれば、アーマチャ７によって作動されるように配置されている。

図２は、活動状態にあるリレー１を示している。リレー１の活動状態は接点４がその閉状態にあることに特徴付けられる。第１電磁石５がオンに切り換えられる結果、リレー１は活動状態に移行される。この結果、アーマチャ７はその第１位置から第２位置にリフトされ、このプロセスにて接点４を閉じる。特に、第１電磁石５は、その磁場がアーマチャ７を第１位置から第２位置にリフトさせるのに充分に強くなるように構成されている。そして、リレー１の第１及び第２端子２，３は接点４を介して互いに電気的に接続され、この結果、電流はリレー１を通じて流れることができる。

第１電磁石５はリレー１の休止状態とリレー１の活動状態との間の過渡期のみにオンに切り換えられる。付け加えて、該過渡期において、第２電磁石６もまたオンに切り換えられる。リレー１がその活動状態に達したなら、装置９は第１電磁石５をオフに切り換えるべく作動され、それ故、第１電磁石５はオフに切り換えられる。特に、アーマチャ７がマイクロスイッチを作動させ、この結果、マイクロスイッチは第１電磁石５をオフに切り換える。

リレー１の活動状態において、第２電磁石６はオンに切り換えられる。第２電磁石６の磁場はアーマチャ７を第２位置に維持するのに充分に強く、それ故、接点４を閉じた状態に維持する。
従って、リレー１を働かせる方法は２つのサブステップに分けられ、一方のサブステップは接点４を閉じ、他方のサブステップは接点４を閉状態に維持する。第１電磁石５は接点４の閉作動を確実にし、第２電磁石６は接点４の閉状態を確実に維持する。接点４を閉状態に維持するよりも、接点４を閉作動させるには充分に強い磁場が必要である。

従って、第１電磁石５は、第２電磁石６よりも強い強度の磁場を発生する。それ故、第１電磁石５は高い電力消費を要求する。しかしながら、このような高い電力消費は経時的にみて接点４を閉じる短いプロセス中のみである。接点４が閉状態にあれば、第２電磁石６のみがオンに切り換えられ、一方、第１電磁石５はオフに切り換えられる。それ故、接点４の閉状態において、第２電磁石６での比較的低い電力消費のみが生じる。例えば、活動状態において、リレー１は２５０ｍＡ以下の電力消費、例えば４０〜２５０ｍＡの電力消費、特に、５０〜１５０ｍＡの電力消費を有することができる。

リレー１をその活動状態から休止状態にするため、第２電磁石６はオフに切り換えられる。この場合、接点４は最早、閉状態に維持されずに開かれる。特に、この場合、アーマチャ７は第２位置から元の第１位置に移動される。

第２電磁石６がオフに切り換えられるときには、低い電流のみが流れているので、比較的小さな磁場のみが除去されるだけであり、よって、接点４が開くときの総復帰時間は非常に短い。

図３及び図４は第２実施形態のリレー１を示す。この場合、図３は第２実施形態のリレー１を休止状態で示し、図４は第２実施形態のリレー１を活動状態で示す。

第２実施形態のリレー１は、第１電磁石５のアーマチャ７がリセットばね１３に機械的に連結されていることで図１，２に示されたリレー１とは相違する。アーマチャ７が第２位置にあれば、リセットばね１３は引っ張られ、アーマチャ７に第１位置の方向への力を付与する。しかしながら、リセットばね１３は該リセットばね１３によってアーマチャ７に付与される力が第２電磁石６によって付与される力に打ち勝つには充分でないように構成されている。従って、アーマチャ７は第２電磁石６がオンに切り換えられている限り、第２位置に留まる。

第２電磁石６がオフに切り換えられれば、リセットばね１３のみが働き続ける。それ故、リセットばね１３はアーマチャ７を第１位置に引っ張って戻し、この結果、接点４が開かれ、リレー１は休止状態に移行される。それ故、リセットばね１３は、より迅速な接点４の開作動を許容にし、そして、より迅速なリレー１の活動状態から休止状態への移行を許容にする。リレー１におけるオフへの切り換え時間は、電磁石５，６が常時、その現在の状態を維持しようとする要因によって影響される。電磁石５，６が励磁状態からオフに切り換えられれば、休止状態となるまでに幾らかの時間がかかる。このとき、磁力はアーマチャ７に働き続ける。このことは、リレー１におけるオフへの切り換えプロセス又は接点４の開作動に或る時間がかかる原因となる。しかしながら、フラッシュオーバを回避するには、可能な限り最速でのオフへの切り換えが望まれる。リレー１がオンに切り換えられた後、第１電磁石５が直ちにオフに切り換えられるので、第１電磁石５におけるオフへの切り換え期間は無視できる。特に、第１電磁石５がリフト磁石であるなら、第１電磁石５は比較的に遅いオフへの切り換え挙動を有することができる。しかしながら、このことは、リレー１が活動状態にある間に第１電磁石５がオフに切り換えられるので、更なる重要性を持たない。特に、第２電磁石６が保持磁石であるので、該保持磁石はオフへの切り換え後、引き付けたアーマチャ７に最早何ら力を付与せず、この結果、第２電磁石６が更なる影響を及ぼす可能性はない。それ故、接点４は図１，２に示された実施形態において非常に迅速に開かれる。接点４の開作動時間はリセットばね１３によって更に短縮される。

付け加えて、第２実施形態のリレー１は、第１電磁石５をオフに切り換えるための装置９がアーマチャ７によって作動されるスイッチを有していないことで、図１，２に示されたリレー１とは相違する。代わりに、装置９はタイマスイッチを有し、該タイマスイッチは、第１電磁石５がオンに切り換えられてから所定時間の経過後に第１電磁石５をオフに切り換える。このタイマスイッチは図３，４に示されていないが、その詳細については後述される。

図５はリレー１の回路図を示す。該回路図は、第１及び第２電磁石５，６が互いに並列に接続されていることを示す。また、回路図はリレー１をオン・オフに切り換えるための装置１０を有する。該装置１０は１つのスイッチである。装置１０がオンに切り換わるべく閉じられれば、リレー１は休止状態から活動状態に作動される。この場合、電圧が先ず第１電磁石５に、この後、第２電磁石６に付与され、この結果、両電磁石５，６がオンに切り換えられる。

付け加えて、第１電磁石５がオンに切り換えられた後、短時間で第１電磁石６を再びオフに切り換える装置９は第１電磁石５と直列に接続されている。ここで、該装置９はマイクロスイッチであり、該マイクロスイッチはアーマチャ７によって作動される。

図５に示されたリレー１は、接点４が閉状態になるやいなや、第１電磁石５が直ちにオフに切り換えられるように構成されている。

付け加えて、互いに逆向きに接続された２つのダイオード１１，１２は第１電磁石５と並列に接続され、ここで、ダイオード１１は単純なダイオードであり、ダイオード１２はツェナーダイオードである。２つのダイオード１１，１２は、第１電磁石５がオフに切り換えられているとき、電圧が短絡され、それ故、磁場の除去中における破壊的な影響が抑制されるのを確実にする。ダイオード１１，１２の代替として、第１電磁石５と並列にバリスタを接続することもできる。

図６はリレー１における代替の実施形態の回路図を示す。該リレー１は、接点４が閉状態に達した後、所定時間、好ましくは非常に短時間で、第１電磁石５がオフに切り換えられるように構成されている。この目的のため、リレー１の場合、装置９はマイクロスイッチの代わりに、キャパシタ１４及び抵抗器１５を有する。キャパシタ１４は第１電磁石５に直列に接続されている。リレー１がオンに切り換えられた後、先ず、電流がキャパシタ１４を通じて流れ、この電流で第１電磁石５が作動される。この後、キャパシタ１４は完全に充電されれば、オフに切り換えられ、この結果、最早、電流は流れず、第１電磁石５はオフに切り換えられる。従って、キャパシタ１４はタイマスイッチを形成し、該タイマスイッチは、接点４が閉じてから所定の時間が経過後に、第１電磁石５がオフに切り換えられるのを確実にする。

１リレー
２第１端子
３第２端子
４接点
５第１電磁石
６第２電磁石
７アーマチャ
８プレート
９第１電磁石をオフに切り換えるための装置
１０リレーをオン・オフに切り換えるための装置
１１ダイオード
１２ダイオード
１３リセットばね
１４キャパシタ
１５抵抗器

Claims

第１端子（２）と、
第２端子（３）と、
閉状態にて前記第１端子（２）と前記第２端子（３）との間の電気的な接続をもたらし、開状態にて前記第１端子（２）と前記第２端子（３）との間の電気的な非接続をもたらす接点（４）と、
前記接点（４）に機械的に連結されたアーマチャ（７）と、
第１電磁石（５）であって、当該第１電磁石（５）がオンに切り換えられれば、前記アーマチャ（７）を第１位置から第２位置に移動させて前記接点（４）を前記閉状態とする第１電磁石（５）と、
第２電磁石（６）であって、前記接点（４）が前記閉状態にあって、当該第２電磁石（６）がオンに切り換えられていれば、前記アーマチャ（７）を前記第２位置に維持し且つ前記接点（４）を閉状態に維持する第２電磁石（６）と
を具備し、
前記第２位置にて、前記アーマチャ（７）は該アーマチャ（７）と前記第２電磁石（６）との間にエアギャップ無しで前記第２電磁石（６）に当接し、
前記第１電磁石（５）および前記第２電磁石（６）は、前記第１位置から前記第２位置への移動の方向に沿って互いにずれており、前記第２電磁石（６）は、前記第２位置において前記アーマチャ（７）に当接するように配設されている、リレー（１）。
前記第２電磁石（６）は、その磁場が前記接点（４）を閉状態に維持するのに充分に強く且つ前記接点（４）を開状態から閉状態に移動させるには弱すぎるように構成されている、請求項１に記載のリレー（１）。
前記第２電磁石（６）は、前記第１電磁石（５）がオフに切り換えられれば、前記接点（４）を閉状態に維持するように構成されている、請求項１又は２に記載のリレー（１）。
前記リレー（１）は、前記接点（４）が開状態から閉状態に移動される結果、前記第１電磁石（５）がオフに切り換えられるように構成されている、請求項１〜３の何れかに記載のリレー（１）。
前記接点（４）が閉状態にあれば、前記第１電磁石（５）をオフに切り換えるスイッチ（９）を具備する、請求項１〜４の何れかに記載のリレー（１）。
前記リレー（１）はタイマスイッチを具備し、該タイマスイッチは前記接点（４）が開状態から閉状態に移動してから所定時間の経過後に前記第１電磁石（５）をオフに切り換える、請求項１〜３の何れかに記載のリレー（１）。
前記第１電磁石（５）はリフト磁石である、請求項１〜６の何れかに記載のリレー（１）。
前記第２磁石（６）は保持磁石である、請求項１〜７の何れかに記載のリレー（１）。
前記リレー（１）は、前記第２電磁石（６）がオフに切り換えられれば、前記接点（４）が閉状態から開状態に移行されるように構成されている、請求項１〜８の何れかに記載のリレー（１）。
前記第２電磁石（６）は、前記第１電磁石（５）がオン状態に作動される電力よりも低い電力でオン状態に作動される、請求項１〜９の何れかに記載のリレー（１）。
前記第１電磁石（５）は前記第２電磁石（６）よりも高い強度の磁場を発生する、請求項１〜１０の何れかに記載のリレー（１）。
前記リレー（１）はガス充満容積内に配置されている、請求項１〜１１の何れかに記載のリレー（１）。