電気開閉装置及びそのための係合ラグを有する開アセンブリ

(関連する出願の相互参照) 本出願は、2013年11月27日に提出された米国特許出願第61/909,460号に対する優先権を主張するものであり、その開示内容の全てが参照されてここに組み込まれる。 本発明は、概して電気開閉装置に関し、特に、回路遮断器等の電気開閉装置に関する。 また、本発明は、電気開閉装置のための開アセンブリに関する。

例えば回路遮断器等の電気開閉装置は、例えば、過電流、短絡、異常電圧及び他の失陥状態の電気的失陥状態から電気系統を保護する。

典型的に、開閉機構を含む回路遮断器は、失陥状態の検出等に応えて、電気系統の導体を介した電流の流れを遮断するための電気接点アセンブリを、例えば、トリップユニットにより開く。電気接点アセンブリは、固定電気接点と、当該固定接点に対して切離し可能な可動電気接点と、を含む。

例えば、図1A及び図1Bは、空気圧回路遮断器1の一部を示す。電源エア回路遮断器1は、開いている間、場合により、遮断を確実にするために開速度を向上させるため、全開ギャップ(例えば、電気接点の切り離し)を得る及び維持するための開ばね3(図1及び図2に簡略化された形状の1個の開ばね3が示される)を使用する。必要とされる閉エネルギを最小にするため、最小の開可能なばね力及びエネルギが望ましい。各開ばね3は、ポールシャフト7に固定されたアーム5の可動端に取り付けられる。この配置は、ポールシャフト7が開(図1A)から閉(図1B)まで回転するとき、ばね3を開長さLo(図1A)から閉長さLc(図1B)まで伸長させる。一般に、ホールシャフト7は、実質上一定のモーメントアーム(例えば、開モーメントアーム、図1AのMo、及び閉モーメントアーム、図1BのMc、参照)を維持するように設計される。

デブリ及び分流作用により開く力の増加が要求されると、全開ギャップを得る及び維持することが、遮断後、特に困難になる。1つの選択として、開ばねを強化することがある。しかしながら、閉ばねの増加に対応することなく開ばねを強化すると、失速及び不完全な閉じを招くことになる。また、ばね力の強化は、回路遮断器の望ましい動作を阻害するより大きい摩擦力を生じる結果を招く。より強化された開ばねに抗して閉じることの困難性は、一度、可動接点が固定接点に着座すると共に接点ばねが要因になると、より顕著な閉じの遅れを生じる。開ばねを上回るための閉ばねの増加は、コストの増大、寿命の低下、並びに、限定しないが、例えば、閉ソレノイド及び推力モータ等の幾つかの付属品の必要性の増加を招く。前述の困難性は、付加的な回路遮断器ポールの追加等のより深刻な問題を累進的に生じる。

したがって、例えば、回路遮断器等の電気開閉装置、及びそのための開アセンブリにおいては、改良の余地がある。

これらの要求及びその他は、限定しないが、例えば、回路遮断器等の、電気開閉装置のための開アセンブリに向けられた、開示された概念の実施形態により満たされる。数ある利益の中で、開アセンブリは、開ギャップ(すなわち、電気接点の切離し)、並びに閉じることを容易にするため、閉状態付近で実質上零トルクを維持するための全開での比較的大きいポールシャフトトルクを生じるように、開ばねを配置する。代わりとして、電気開閉装置は、実質上の零トルク、固定された閉状態あるいはその付近で適用されるトルク、及び相対的に小さいバルブの代わりとなる、係合ラグを付加的に含むことができる。

開示された概念の一態様として、開アセンブリは、電気開閉装置のために提供される。電気開閉装置は、ハウジング、当該ハウジングにより囲まれた切離し可能な接点、及び切離し可能な接点を開閉するための開閉機構を含む。開閉機構は、ポールシャフトを含む。開アセンブリは、ポールシャフトに対して軸回転可能に連結されるように構成された第1部分と、第1部分の概して反対側に配置された第2部分と、を含み、開位置と閉位置との間で移動可能なばねリンクと、各々が、ハウジングに連結されるように構成された固定端と、ばねリンクの第2部分に連結されるように構成された可動端と、を含む複数個の開ばねと、を含む。ばねリンクが開位置に配置されるとき、複数個の開ばねは、切離し可能な接点の完全な切離しを維持するため、ばねリンク及びポールシャフトを付勢するように構成される。ばねリンクが閉位置に配置されるとき、複数個の開ばねは、ポールシャフトを付勢しない、あるいは代わりとして固定された、容易に確認可能な、及び相対的に小さいトルクを伴うポールシャフトを付勢するように構成される。

ばねリンクは、第1部分と第2部分との間を延びる中間部分をさらに含む。中間部分は、ばねリンクが閉位置に配置されるとき、ばねリンクがポールシャフトの周囲部分に沿って延びるように構成するための、弓形状を有する。

ポールシャフトは、当該ポールシャフトから外側に延びるアームを含む。ばねリンクの第1部分は、アームに対して軸回転可能に連結されるように構成される。ばねリンクは、相互に対向すると共に間隔をあけて配置された一対の実質上同一の平板部材により形成され、ポールシャフトのアームの部分は、一対の実質上同一の平板部材間に配置されるように構成される。

開示された概念の他の態様として、電気開閉装置は、ハウジングと、ハウジングにより囲まれた切離し可能な接点と、ポールシャフトを含み、切離し可能な接点を開閉するための開閉機構と、を含み、また開アセンブリは、ポールシャフトに対して軸回転可能に連結される第1部分と、第1部分の概して反対側に配置される第2部分と、を含み、開位置と閉位置との間で移動可能なばねリンクと、各々が、ハウジングに連結される固定端と、ばねリンクの第2部分に連結される可動端と、を含む複数個の開ばねと、を含む。ばねリンクが開位置に配置されるとき、複数個の開ばねは、切離し可能な接点の完全な切離しを維持するため、ばねリンク及びポールシャフトを付勢する。ばねリンクが閉位置に位置するとき、複数個の開ばねは、ポールシャフトを付勢しないように構成され、あるいは代わりとして固定された、容易に確認可能な、及び相対的に小さいトルクを伴うポールシャフトを付勢するように構成される。

付随する図面を参照して読むことで、以下の望ましい実施形態の説明から開示された概念の十分な理解を得ることができる。

図1A及び図1Bは、周知の回路遮断器及びそのための開アセンブリの一部の側面図であって、図1Aは、開かれた回路遮断器に対応し、図1Bは、閉じられた回路遮断器に対応する。

図2は、回路遮断器及びそのための開アセンブリの側面図であって、開示された概念の第1実施形態に対応する。

図3は、図2の開アセンブリの拡大図であって、回路遮断器が開いているときの位置を示す。

図4は、図3の拡大図であって、回路遮断器が閉じているときの開アセンブリを示すために変更したものである。

図5は、図4の開アセンブリの一部の斜視図である。

図6A及び図6Bは、回路遮断器及びそのための開アセンブリの一部の側面図であって、図6Aは、開いた状態の回路遮断器に対応する開示された概念の実施形態であり、図6Bは、閉じた状態の回路遮断器に対応する開示された概念の実施形態である。

図7は、改良された回路遮断器及びそのための開アセンブリの開状態の透視図であって、開示された及びクレームされた概念の第2実施形態に対応するものである。

図8は、図7の回路遮断器及び開アセンブリにおいて、回路遮断器の閉状態を示すものである。

図9は、図7の回路遮断器の側面図である。

図10は、図9同様、モーメントアームあるいは係合ラグがポールシャフトのフランジに接触しているときの不完全な閉状態の回路遮断器を示すものである。

図11は、図10同様、閉状態の回路遮断器を示すものである。 以下の説明において、類似の要素に同一の符号を付与する。

ここで使用される、例えば、左、右、時計回り方向、反時計回り方向及びその派生語のような方向を示す用語は、図面に示される要素の位置関係を示すためのもので、特に指定しない限りにおいて請求項を限定するものではない。ここで使用されるように、2つあるいはそれ以上の部品が「連結される」の記述は、各々が直接的に共に接続される、あるいは1つ若しくはそれ以上の中間部品を介して接続されることを意味する。

ここで使用される、用語「数」は、1あるいは1より大きい整数(すなわち、複数)を意味する。

図2は、限定しないが、例えば、開示されたあるいはクレームされた概念の第1実施形態の両方に対応する、回路遮断器200等の電気開閉装置のための開アセンブリ100を示す。回路遮断器200は、ハウジング202、ハウジング202により囲まれた切離し可能な接点204(図2において簡略化された形状で示される)、並びに切離し可能な接点204を開閉するための開閉機構206(図2において簡略化された形状で示される)を含む。開閉機構206は、ポールシャフト208(図5の斜視図に最もよく示される)を含む。

開アセンブリ100は、ポールシャフト208に対して軸回転可能に連結されるように構成された第1部分104を有するばねリンク12と、第1部分104の概して反対側に配置される第2部分106と、を含む。ばねリンク102は、開位置(図2、図3、図5、及び図6A)と閉位置(図4及び図6B)との間を移動可能に設けられる。開アセンブリ100は、各々が、回路遮断器ハウジング202に連結された固定端112を含む複数個の開ばね110と、前述のばねリンク102の第2部分106に連結された可動端114と、をさらに含む。

前述の構造から判断して、図2、図3、図5、図6Aに示される、ばねリンク102が開位置に配置されるとき、開ばね110は、切離し可能な接点204(図2)の完全な切離しを維持するため、ばねリンク102及びポールシャフト208を(例えば、図2における反時計回り方向へ)付勢するように構成される。換言すると、開示された概念は、完全に開いた状態(例えば、限定しないが、切離し可能な接点204(図2)間の開ギャップを維持するため)で比較的大きいポールシャフトトルクを生じるように、ばねリンク102を介して、開ばね110及びポールシャフト208に対するその取付け部品を配置する。さらに、ばねリンク102が図4及び図6Bの閉位置に配置されるとき、開ばね110は、ポールシャフト208を付勢しないように構成される。換言すると、実質上零トルクは、閉状態における開ばね110によりもたらされ、それにより、回路遮断器部品における必要とされる閉エネルギ及び関連するストレスが軽減される。そのうえ、要求される閉ばねの削減は、閉エネルギの軽減あるいは閉マージンの増加を許容する。閉エネルギの軽減は、付属部品(限定しないが、例えば、スプリングリリース、モータオペレータ)の必要性を有利に削減すると共に寿命を延ばす。閉マージンの増加は、閉速度の増加及び/又は接点ばねの削減を必要とすることなく、遮断後の変化及び回路遮断器の性能に適応する。以下に、開示された開アセンブリ100がこれらの利益をもたらす特定の方法をより詳細に説明する。

引き続き、図2、及び図3乃至図6Bを参照すると、開示された開アセンブリ100のばねリンク102は、第1部分104と第2部分106との間を延びて望ましくは弓形状の中間部分120をさらに含む。このような弓形状は、ばねリンク102が図4及び図6Bに示される閉位置に位置しているとき、ばねリンク102が回路遮断器ポールシャフト208の一部の周囲を延びることを可能にする。図5の斜視図に最もよく示されるように、ポールシャフト208は、望ましくは、当該ポールシャフト208から外側へ延びるアーム210を含む。ばねリンク102の第1部分104は、アーム210に対して軸回転可能に連結されるように構成される。ここに示されると共に記述された例において、ばねリンク102は、相互に反対側かつ間隔をあけて配置された実質上同一の一対の平板部材130、132により構成される。よって、図解されるように、ポールシャフト208のアーム210の一部は、実質上同一の一対の平板部材130、132間に配置される。ポールシャフト208は、ばねリンク102をポールシャフトアーム210に軸回転可能に連結するピボットピン220をさらに含む。

引き続き図5を参照すると、開アセンブリ100のばねリンク102は、ばねリンク102の第2部分106から外側へ水平に延びる突起140をさらに含む。図5の例において、突起はピン140であり、当該ピン140は、第1方向である、ばねリンク102の第1側面142から外側へ水平に延びると共に、第1方向とは反対方向の第2方向である、ばねリンク102の第2側面144から外側へ水平に延びる。図5の例に部分的に示されるように、開示された概念の範疇から離れることなく、複数個の開ばねを使用することができる。例えば、第1開ばね110は、ばねリンク102の第1側面142上のピン140に連結された可動端114を含み、第2開ばね110'は、ばねリンク102の第2側面144上のピン140に連結された可動端114'を含む。しかしながら、それは、ばねリンク(例えば、102)及び/又は開ばね(限定しないが、例えば、110、110')の型式及び/又は形状が使用され、既知のあるいは適当な選択的な数であることが理解される。説明の簡略化及び理解を容易にするため、ここでは、1つのみの開アセンブリ100及びそのためのばねリンク102を説明する。

図6A及び図6Bに示されるように、例示された回路遮断器200のハウジング202は、図解されるように、側板230及び当該側板230から外側へ延びる少なくとも1つの突起240を含む。複数個の開ばね(例えば、110)の各々の固定端110は、対応する少なくとも1つの突起240のうちの1つに連結される。

図4及び図6Bに示されるように、動作中、ばねリンク102が閉位置に配置されるとき、第1部分104及び第2部分106は、図解されるように、概してポールシャフト208の反対側に配置される。この結果、ピボットピン220、ポールシャフト208、及び開ばね110が実質上軸線300に沿って整列されることが理解されるであろう。図解されるように、開ばね110、ピン140、ポールシャフト208、及び突起240は、概して全てが軸線300上に配置される。よって、このような配置は、相応して、実質上零モーメントアーム(例えば、図6Bを参照すると、モーメントアームMc=0)の結果となることが理解されるであろう。換言すると、実施上零トルクは、閉位置における、ばねリンク102あるいはポールシャフト208に対する開ばね110に適用され、それにより、閉ばねの必要数が削減され、且つ前述したように、閉エネルギの削減、同様に閉マージンの増加が許容される。

また、開示された開アセンブリ100のばねリンク102のデザインは、ばねリンク102が図6Aの開位置に配置されるとき、要求されるように、モーメントアーム、Mo、を成すことが理解されるであろう。図6Aと図6Bとを比較すると、ばねリンク102が図6Aの開位置に位置するときの、開ばね長さLoは、ばねリンク102が図6Bの閉位置に配置されるときの、閉ばね長さLcに対して相対的に等しいことが理解されるであろう。これは、Mcが実質上零である、前述の閉モーメントアームの組合せにおいて、回路遮断器の動作上、深い有益な効果をもたらす。例えば、開示され開アセンブリ100は、従来の閉ばねデザインのエネルギよりも40%少ないエネルギを消費する。さらに、開アセンブリ100は、全開時でのポールシャフトトルクに対して約20%増のポールシャフトトルクを生むことができると共に、それにも拘わらず従来デザインのエネルギに対して約半減のエネルギのみを消費する。

よって、他の利益の中で、開示された開アセンブリ100は、全開での望ましいポールシャフトトルク(限定しないが、例えば、切離し可能な接点204(図2)間の開ギャップを維持するため)及び閉状態における実質上零トルクをもたらすために効果的に機能する、特有のばねリンク102及び開ばね110配列を成し、それにより、必要とされる閉エネルギ及び関連するストレスを軽減する。

改良された開アセンブリ400及び当該開アセンブリ400の改良された回路遮断器500は、概して一部が図7乃至図11に図解され、双方は、開示された及びクレームされた概念の第2実施形態に対応する。以下により詳細に説明するように、開アセンブリ400及び回路遮断器500は、回路遮断器500が閉状態であるとき、開アセンブリ400がポールシャフト508に対して非零トルクを適用するように構成される点を除き、開アセンブリ100及び回路遮断器200に対して実質上同一である。

開アセンブリ400は、相互に反対側に配置される第1部分404と第2部分406とを含む、ばねリンク402を含むと言える。開アセンブリ400は、各々が、回路遮断器500に連結される固定端412と、第2部分406に連結されるその反対側の可動端414と、を有する開ばね410のセットを含む。特に、ばねリンク402は、第2部分406上に設けられた突起440をさらに含み、また可動端414は、突起440上に位置している。突起440は、ばねリンク402の第1側面から第1方向へ外側に向かって水平に延び、且つばねリンク402の第2側面から第2方向へ外側に向かって水平に延びるピンである。第1及び第2方向は、相互に反対方向である。ばねリンク412は、第1部分404と第2部分406との間を延びる中間部分420をさらに含む。これらすべては、開アセンブリ100に類似する。

しかしながら、開アセンブリ400のばねリンク402は、第1部分404よりも第2部分406により近い位置に位置する中間部分420に設けられた係合ラグ424をさらに含む。回路遮断器500の概して開状態と閉状態との間に位置する過渡位置で、係合ラグ424は、ポールシャフト508に係合可能であり、また開ばね410、ばねリンク402、及びポールシャフト508間の運動学的関係に有用な変化をもたらす。これは、特定の状況で望ましい。

ポールシャフト508は、当該ポールシャフト508に形成されてそこから外側へ突出するアーム510を有する。アーム510は、部分的に環状に形成されてポールシャフト508から半径方向外側へ突出するフランジ518を含む。概して図10に図解される、回路遮断器500が過渡位置に位置するとき、ポールシャフト508に作用する開ばね410によるトルクは、概して最小である。しかしながら、係合ラグ424は、過渡位置でフランジ518に係合し、さらに、図10の過渡位置から図8及び図11の閉位置への回路遮断器500の移動は、ポールシャフト508に作用する開ばね410によるトルクが増加する結果を招く。

より詳細には、図9で理解できるように、第1部分404上のピボットピン520は、フランジ518に軸回転可能に設けられ、それにより、ばねリンク402をポールシャフト508に軸回転可能に連結する。開ばね410の引張力は、図7及び図9の回路遮断器500の開形状においてポールシャフト508に付与される。開ばね410の固定端12は、回路遮断器500上の突起540に連結される。それらを用いて接続された開ばね410のばねリンク402及び可動端414が、開状態において概して被拘束になると、突起540、第2部分406、及びピボットピン520は全て、開ばね410の力の軸線654Aに沿って並ぶことが理解できる。すなわち、共に連結されている間、第2部分406及び開ばね410の可動端414が、ピボットピン520の回りの軸回転動作において概して自由に移動可能でないのであれば、開ばね410における引張力は、第2部分406を、力の軸線654Aである、突起540とピボットピン520との間を延びる軸線に沿って一列に整列させるように作用する。回路遮断器500の開状態における開ばね410の引張力は、モーメントアーム660Aにより図解される開状態における与えられた距離に一致する、ポールシャフト508の回転軸からの与えられた距離で作用する。このような、モーメントアーム660Aにより特徴付けられるポールシャフト508の回転軸からの距離で作用する、力の軸線654Aに沿った開ばね410の引張力は、ポールシャフト508に作用するトルク664Aをもたらす。

ポールシャフト508が、開状態から(図10に図解された)回路遮断器500の過渡位置に向かって(図9乃至図11における)時計回り方向へ回転すると、ピボットピン520の移動は、当該ピボットピン520、突起540、及び第2部分406が、もう一方の力の軸線654Bに沿って相互に一列に整列されたままとなる。過渡位置において、開ばね410の引張力は、モーメントアーム660Aに対して相対的に短いモーメントアーム660Bでポールシャフト508に作用する。すなわち、図9の回路遮断器500の開状態において、力の軸線654Aは、ポールシャフト508の回転軸と開ばね410により接触された突起540上の位置との間を延びると言えるセグメント672に対して力の第1角度668Aを成す。このようなセグメント672は、概して距離650であり、当該距離650は、変化しないことを考慮することができ、且つ開状態と閉状態との間の回路遮断器500の任意の与えられた位置で突起540上の開ばね410の固定端412の位置に基づき容易に算出することができる。力の角度668A及び距離650が既知又は知ることができるのであれば、モーメントアーム660Aの長さを算出することができる。モーメントアーム660Aの寸法が、ポールシャフト508の回転軸からの距離でもたらされる開ばね410における引張力と組み合わされるとき、トルク664Aを算出することができる。同様に、トルク664Bは、トルク664Aに対して相対的により小さい合成トルク664Bであり、過渡位置でのモーメントアーム660Bと力の角度668Bとを求めるために算出される。

しかしながら、ポールシャフト508が図11の閉状態へ向かって図1の過渡位置から回転するとき、係合ラグ424のフランジ518との係合は、第2部分404をセグメント672から僅かに離れて軸回転することが理解できる。すなわち、図11の閉状態において、開ばね410は、第2部分406及び突起540を含むが、ピボットピン520から間隔があけられた軸線に沿って延びる、力の軸線654Cに沿った引張力を及ぼす。力の軸線654Cは、異なる力の角度668C及びモーメントアーム660Bよりも相対的に大きい合成モーメントアーム660Cをもたらす。モーメントアーム660Cは、モーメントアーム660Bよりも相対的に大きく、また開ばね410は、図10の過渡位置における引張力よりも大きい図11の閉状態における引張力を及ぼすので、回路遮断器500の閉状態においてポールシャフト508に作用する合成トルク664Cは、図10の過渡位置においてポールシャフト508に作用するトルク664Bよりも相対的に大きい。すなわち、係合ラグ424が過渡位置でポールシャフト508のフランジ518と係合するとき、回路遮断器500の閉状態へ向かう過渡位置からのポールシャフト508の回転の持続を伴うと、第2部分406及び開ばね410の可動端414は、開ばね410によりばねリンク402に作用する引張力のため、ピボットピン520及び係合ラグ424のアーム510及びフランジ518との係合により束縛されるよりもむしろ、自由に移動可能である。

ポールシャフト508が回路遮断器の過渡位置と閉状態との間で移動するとき、それらの結合点がポールシャフト508の回転軸から固定された距離で回転すると言えるように、ポールシャフト508のフランジ518との係合ラグ424の係合は、第2部分406及び可動端414をこのように拘束する。このような動作は、モーメントアーム660B及び660Cで図解された数値間でモーメントアームを変化させる効果を持つ。これは、余剰トルク664Cが、概して図8及び図11に図解された、回路遮断器500の閉位置にある開ばね410によりポールシャフト508に作用する結果となる。トルク664Cは、それがポールシャフト508と他の回路遮断器500の部品との間に作用すると言える静及び動摩擦を上回るように、有利に形成され、それにより、トルク664Cは、回路遮断器500の閉位置から離れる及び回路遮断器500の開状態へ向かうポールシャフト508の移動を起こすのに十分である。

このような回路遮断器500の閉状態における相対的に増加したトルク664C(トルク664Bとの比較で)は、閉位置から離れる回路遮断器500の急激な動作を妨げることが無い摩擦に起因するいかなる躊躇をも有利に最小化する。ポールシャフト508のフランジ528との係合ラグ424の係合による余剰トルク664Cは、回路遮断器500を構成する部品の寸法公差の影響を克服するあるいは少なくとも改善する、トルク664Cのための相対的に確認可能な価値をもたらす。すなわち、回路遮断器500がその閉位置で本質上零トルクを成すように構成されるのであれば、回路遮断器500の部品の公差のばらつきは、僅かなトルクが、ポールシャフト508に図11おいて時計回り方向あるいは反時計回り方向へ作用する結果となる。このようなトルクがまだとても小さい間、零トルクと比較したその大きさは大きな影響を及ぼす。しかしながら、容易に確認可能であるトルク664C(前述に基づき)を伴うその閉位置でのトルク664Cを有利に生じるように回路遮断器500を構成することにより、回路遮断器500の閉状態でポールシャフト508に作用する実トルクの大きさのあらゆる僅かなばらつきは、トルク664Cの大きさと比較して相対的に無視できる範囲である。記述がないのであれば、公差のばらつきに起因する僅かなトルクは、零トルクと比較して影響があるが、トルクの零近傍レベルと比較したとき、相対的に影響はより小さい。そのようなものとして、回路遮断器500の閉状態におけるトルク664Cの付与は、望ましいその機能の信頼性を向上させる。

開示された概念の特定の実施形態を詳細に説明してきたが、種々の変更並びにそれらの細部の代替物を開示の全体的な教示を考慮して進歩させることができることが、当業者によって理解されるであろう。このように、開示された特定の形態は、実施例を示しただけであり、添付された特許請求の範囲及びそれと同等のすべてのものの全範囲が与えられる開示された概念の範疇を限定するものではない。