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公開番号2021136844
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210913
出願番号2020033921
出願日20200228
発明の名称スイッチ、及び巻線切替装置
出願人日立Astemo株式会社
代理人特許業務法人藤央特許事務所
主分類H02P 25/18 20060101AFI20210816BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】摺動レス化によって、高信頼、長寿命を図る。
【解決手段】隣接して固定子に取り付けられる第1端子及び第2端子と、第1方向及び第2方向に移動可能な可動軸と、前記可動軸に取り付けられる複数の可動子と、前記複数の可動子の二つと接続し、当該二つの可動子が離れる方向に付勢する可動切片とを備え、前記可動子の前記第1方向への移動によって、前記可動子が前記固定子に押されて、前記端子の方向に突出するように前記可動切片を変形して、前記可動切片が前記第1端子と接触する第1モードと、前記可動子による前記可動切片の変形が解かれ、前記可動切片が前記第1端子及び前記第2端子のいずれとも接触しない中間モードと、前記可動子の前記第2方向への移動によって、前記可動子が前記固定子に押されて、前記端子の方向に突出するように前記可動切片を変形して、前記可動切片が前記第2端子と接触する第2モードとを切り替え可能なとする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
電気的な接続状態を切り替えるスイッチであって、
隣接して固定子に取り付けられる第1端子及び第2端子と、
第1方向、及び前記第1方向と逆の第2方向に移動可能な可動軸と、
前記可動軸に取り付けられる複数の可動子と、
前記複数の可動子の二つと接続し、当該二つの可動子が離れる方向に付勢する可動切片とを備え、
前記可動子の前記第1方向への移動によって、前記可動子が前記固定子に押されて、前記端子の方向に突出するように前記可動切片を変形して、前記可動切片が前記第1端子と接触する第1モードと、
前記可動子による前記可動切片の変形が解かれ、前記可動切片が前記第1端子及び前記第2端子のいずれとも接触しない中間モードと、
前記可動子の前記第2方向への移動によって、前記可動子が前記固定子に押されて、前記端子の方向に突出するように前記可動切片を変形して、前記可動切片が前記第2端子と接触する第2モードとを切り替え可能なことを特徴とするスイッチ。
続きを表示(約 1,500 文字)【請求項2】
巻線の接続を切り替える巻線切換装置であって、
第1巻線に接続され、隣接して固定子に取り付けられる第1端子及び第2端子と、
第2巻線に接続され、隣接して固定子に取り付けられる第3端子及び第4端子と、
第1方向、及び前記第1方向と逆の第2方向に移動可能な可動軸と、
前記可動軸に取り付けられる複数の可動子と、
前記複数の可動子の二つと接続し、当該二つの可動子が離れる方向に付勢する複数の可動切片とを備え、
前記可動切片は、電気的に接続される二つの第1可動切片と、電気的に接続される二つの第2可動切片とを含み、
前記可動子の前記第1方向への移動によって、前記二つの第1可動切片の各々が前記第1端子と前記第2端子に対向する位置に移動し、かつ前記二つの第2可動切片の各々が前記第3端子と前記第4端子に対向する位置に移動し、前記可動子と前記固定子とが接触して、前記可動切片を前記端子の方向に突出するように変形して、前記可動切片の各々が対向する前記端子と接触する第1モードと、
前記可動子による前記可動切片の変形が解かれ、前記可動切片が前記端子のいずれとも接触しない中間モードと、
前記可動子の前記第2方向への移動によって、前記二つの第1可動切片の各々が前記第2端子と前記第3端子に対向する位置に移動し、かつ前記第2可動切片の一つが前記第4端子に対向する位置に移動し、前記可動子と前記固定子とが接触して、前記可動切片を前記端子の方向に突出するように変形して、前記可動切片の各々が対向する前記端子と接触する第2モードとを切り替え可能なことを特徴とする巻線切替装置。
【請求項3】
請求項2に記載の巻線切替装置であって、
前記可動切片は、円環状に形成されて前記可動軸の外周に配置され、
前記端子は、前記可動切片の外周で径方向に対向するように円環状に形成される巻線切替装置。
【請求項4】
請求項2に記載の巻線切替装置であって、
前記可動切片は、複数の中央部と、前記中央部の各々の両側で前記中央部より幅狭に形成される端部とによって構成されることを特徴とする巻線切替装置。
【請求項5】
請求項4に記載の巻線切替装置であって、
前記中央部の各々は、軸方向に長い形状で、前記端部を介して周方向に延伸するフレームに接続されており、
前記可動切片は、金属板を加工して形成されることを特徴とする巻線切替装置。
【請求項6】
請求項5に記載の巻線切替装置であって、
前記中央部は、前記金属板の曲げ加工によってバネ性を有するように形成されることを特徴とする巻線切替装置。
【請求項7】
請求項2に記載の巻線切替装置であって、
前記固定子と前記可動子との接触部は、少なくとも一方が樹脂によって形成されることを特徴とする巻線切替装置。
【請求項8】
請求項2に記載の巻線切替装置であって、
前記固定子は内部を密閉可能な円筒形であって、内部に絶縁ガスが封入されていることを特徴とする巻線切替装置。
【請求項9】
請求項2に記載の巻線切替装置であって、
前記固定子には、通電によって磁界を発生するコイルが取り付けられており、
前記可動軸には、少なくとも一つの磁石が取り付けられており、
前記可動軸は、前記コイルと前記磁石との間の電磁力によって、前記第1方向に移動することを特徴とする巻線切替装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、スイッチに関し、特に回転電機の巻線を切り替える巻線切替装置に好適な技術に関する。
続きを表示(約 6,300 文字)【背景技術】
【0002】
電気自動車やハイブリッド車などの電動車の駆動用モータは、低速域のシステム効率が低く、エネルギー効率の向上が必要である。このため、低速域と高速域で巻線を切り替える巻線切替技術がある。例えば、低速で直列結線として電圧を増加することで、電流を従来の1/2に低減する。これによってインバータ半導体素子の導通損やスイッチング損が半減するのでインバータ効率が改善し、システム効率が向上してエネルギー消費を低減できる。
【0003】
本技術分野の背景技術として、特開2017−70112号(特許文献1)がある。特開2017−70112号には、複数の巻線を備えた電動機の巻線の結線状態を切り替える巻線切替装置であって、装置本体と、可動体と、これらを切替方向に駆動する駆動装置とを備える。装置本体は、巻線の端部が各々接続される複数の電極を備える。可動体は、直列結線用回路部および2並列結線用回路部を含む。直列結線用回路部は、装置本体の前記電極に接触する複数の相手側電極と、巻線を直列に接続する直列接続用電気回路を備え、直列結線用回路部は、装置本体の前記電極に接触する複数の相手側電極と、巻線を並列に接続する2並列接続用電気回路を備える巻線切替装置が記載されている(要約参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2017−70112号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
前述した特許文献1に記載された技術では、バネの反発力で接点同士を押し付けて接触抵抗を低減しているので、接点の切り替え時に摺動部の摩耗が生じるという問題がある。
【0006】
本発明は、接点の切り替え時に接点が端子から離れた状態で接続を切り替える摺動レス化によって、スイッチの高信頼、長寿命を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、電気的な接続状態を切り替えるスイッチであって、隣接して固定子に取り付けられる第1端子及び第2端子と、第1方向、及び前記第1方向と逆の第2方向に移動可能な可動軸と、前記可動軸に取り付けられる複数の可動子と、前記複数の可動子の二つと接続し、当該二つの可動子が離れる方向に付勢する可動切片とを備え、前記可動子の前記第1方向への移動によって、前記可動子が前記固定子に押されて、前記端子の方向に突出するように前記可動切片を変形して、前記可動切片が前記第1端子と接触する第1モードと、前記可動子による前記可動切片の変形が解かれ、前記可動切片が前記第1端子及び前記第2端子のいずれとも接触しない中間モードと、前記可動子の前記第2方向への移動によって、前記可動子が前記固定子に押されて、前記端子の方向に突出するように前記可動切片を変形して、前記可動切片が前記第2端子と接触する第2モードとを切り替え可能なことを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、接触抵抗を低減しつつ、接点切替時の摩耗を低減できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明によって明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
実施例1の巻線切替装置の斜視図である。
実施例1の巻線切替装置の断面図でありる。
実施例1の可動切片の動作を示す図である。
実施例1の巻線切替装置の接続例を示す図である。
実施例1の固定子と可動子の当接部分を示す断面図である。
実施例1の可動切片として形成途中の板状部材を示す図である。
図6に示す板状部材が可動切片として取り付けるために丸められた状態を示す図である。
図7に示す可動切片を軸方向から見た模式図である。
実施例1の巻線切替装置の断面を示す模式図である。
実施例2の巻線切替装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明にかかるスイッチを使用した装置の例として巻線切替装置について説明する。
【0011】
<実施例1>
図1は、本発明の実施例1の巻線切替装置の斜視図であり、固定子1と端子51〜54は4分の1を切り欠いた4分の3断面を示す。
【0012】
図1に示す巻線切替装置は、円筒状に形成された固定子1と、固定子1の内部を軸方向に移動可能な可動軸2と、可動軸2の周囲に軸方向に摺動可能に取り付けられた複数の可動子31〜36と、隣接する可動子31〜36の間に取り付けられる可動切片41〜44と、固定子1の内周に取り付けられる端子51〜54とを有する。可動子31〜36は、可動切片41〜44のバネ性によって隙間37が空く方向に付勢されており、両端の可動子31、36が固定子1と接触していない状態では、隣接する可動子31〜36の間には隙間37がある。
【0013】
図1に示す巻線切替装置を構成するスイッチは、円筒状に形成された固定子1と、固定子1の内部を軸方向に移動可能な可動軸2と、可動軸2の周囲に軸方向に摺動可能に取り付けられた複数の可動子31、32と、隣接する可動子31、32の間に取り付けられる可動切片41と、固定子1の内周に隣接して取り付けられる端子51、52とを最小構成として有する。
【0014】
固定子1は、内部が中空の円筒状に形成されており、巻線切替装置のケースを形成する。固定子1の外側面の形状は、図示する円筒状でも、他の形状でもよい。固定子1は、絶縁体(樹脂)で形成されており、端子51〜54を流れる電気信号を外部に引き出せる穴が設けられている。端子51〜54は、導電体(例えば金属)で形成されており、固定子1の内周に円筒状に固定的に形成される。隣接する端子51〜54の間は絶縁が維持されるように隙間が設けられている。
【0015】
可動軸2は、固定子1の内部を軸方向に移動可能な円柱状に形成されており、その外周面には可動子31〜36が係合する溝が設けられる(図2参照)。可動軸2は、絶縁体(樹脂)で形成される。
【0016】
可動子31〜36は、可動軸2の係合溝に係合するリング状であり、係合溝内で軸方向に移動可能に、可動軸2の外周の全周にわたって取り付けられている。可動子31と可動子32の間には外周側に接点が突出するように可動切片41が取り付けられ、可動子32と可動子33の間には外周側に接点が突出するように可動切片42が取り付けられ、可動子34と可動子35の間には外周側に接点が突出するように可動切片43が取り付けられ、可動子35と可動子36の間には外周側に接点が突出するように可動切片44が取り付けられる。
【0017】
可動子31〜36は絶縁体(樹脂)又は導体(金属)で形成される。可動子32を導体で形成した場合、可動切片41と可動切片42は可動子32を介して導通する。一方、可動子32を絶縁体で形成した場合、可動切片41と可動切片42を導通させるための導通部材(例えばジャンパ線)が必要となるが、導通させる手段として可動切片41と可動切片42を一体で形成してもよい。同様に、可動子35を導体で形成した場合、可動切片43と可動切片44は可動子32を介して導通する。一方、可動子35を絶縁体で形成した場合、可動切片43と可動切片44を導通させるための導通部材(例えばジャンパ線)が必要となるが、導通させる手段として可動切片43と可動切片44を一体で形成してもよい。
【0018】
可動子31〜36と可動軸2とは摺動するので、可動子31〜36の内側面及び可動軸2の外側面には摺動抵抗を低減し潤滑性を向上する加工(例えばPTFEフッ素コーティング)をするとよい。可動子33と可動子34の間には、リング状の絶縁体で形成されるスペーサ38が設けられ、可動切片42と可動切片43との間を絶縁している。スペーサ38は、可動子33、34の移動に伴って、可動軸2に沿って軸方向に移動可能である。
【0019】
可動切片41〜44は、後述するように金属板を加工したバネ状部材であり、隣接する可動子31〜36の間に、それぞれ取り付けられる。例えば、可動切片41〜44は、隣接する可動子31〜36の対向する段差に挟まるように取り付けられるとよい。また、可動切片41〜44は、隣接する可動子31〜36の対向する溝に挿入されるように取り付けられると、可動子31〜36が移動しても可動切片41〜44が外れ難くてよい。可動切片41〜44は、外周側に突出したバネ状であり、軸方向に押圧されない状態では、可動子31〜36が離れる方向に付勢して、隣接する可動子31〜36の間に隙間37が生じている。
【0020】
可動軸2と固定子1との間は、固定子1の内部空間の気密を維持できるようにシール材を設けるとよい。気密された固定子1の内部空間には絶縁ガス(例えば六フッ化硫黄ガス)を封入するとよい。固定子1の内部空間には絶縁ガスを封入することによって、接点を絶縁ガス中に配置でき、接続切替時のアーク放電を抑制し、電流を流した状態で接点の切り替えが可能となる。
【0021】
次に、図2から図4を参照して、本実施例の巻線切替装置の動作を説明する。図2は、巻線切替装置の断面図であり、第1モードから第2モードへの切替の過程を示す。図2(A)は第1モードを示し、図2(B)及び図2(C)は第1モードから第2モードへ切り替える過程の中間モードを示し、図2(D)は第2モードを示す。また、図3は、可動切片41〜44の動作を示す図であり、図4は、巻線切替装置の接続例を示す図である。
【0022】
本実施例の巻線切替装置は、可動軸2の移動によって、可動切片41〜44と端子51〜54との対向関係が変わり、端子51〜54の接続が変わる。可動軸2は、人が操作して移動しても、図10に示すようにアクチュエータで駆動してもよい。
【0023】
図2(A)に示す第1モードでは、図示右側から押す力が可動軸2に加わり、可動軸2が左側へ移動し、可動軸2の係合溝の端部の段差が可動子36と当接し、可動子36を左側に押す。このとき、可動子31が固定子1と当接する。このため、可動子31〜36は、可動軸2の係合溝の端部の段差と固定子1との間に挟まれて、固定子1及び可動軸から押されて、可動子31〜36の間の隙間37がなくなって(又は隙間37が小さくなって)、可動切片41〜44が軸方向に付勢されて自由長より短くなり、可動切片41〜44の外周方向への突出量が増大し、可動切片41〜44が端子51〜54にそれぞれ押し付けられ、可動切片41〜44と端子51〜54がそれぞれ接触する(図3(A)参照)。第1モードでは、可動切片41〜44がそれぞれ端子51〜54に接続されるので、端子51と端子52が導通し、端子53と端子54が導通する。
【0024】
図2(B)に示す中間モードでは、可動軸2に加わった力が無くなり(又は可動切片41〜44のバネ力より弱くなり)、可動軸2が解放されると、可動切片41〜44への軸方向への加圧が無くなり、可動切片41〜44は自由長に戻ろうと軸方向に延伸し、可動子31〜36の間に隙間37が生じる。また、可動切片41〜44は、外周方向(端子51〜54)への突出量を減らし、可動切片41〜44と端子51〜54が離れ、可動切片41〜44と端子51〜54が導通しなくなる(図3(B)参照)。
【0025】
図2(C)に示す中間モードでは、図示右側に引く力が可動軸2に加わり、可動切片41〜44と端子51〜54が離れた状態で可動軸2が右側へ移動する。可動軸2が移動する際に、可動切片41〜44と端子51〜54が離れているので、電気接点の摺動レス化を実現でき、接点の信頼性を向上でき、接点の寿命を長くできる。
【0026】
図2(D)に示す第2モードでは、図示右側に引く力が可動軸2に加わり、可動軸2がさらに右側へ移動し、可動軸2の係合溝の端部の段差が可動子31と当接し、可動子31を右側に押す。このとき、可動子36が固定子1と当接する。このため、可動子31〜36は、可動軸2の係合溝の端部の段差と固定子1との間に挟まれて、固定子1及び可動軸から押されて、可動子31〜36の間の隙間37がなくなって(又は隙間37が小さくなって)、可動切片41〜44の外周方向への突出量が増大し、可動切片41〜44と端子51〜54がそれぞれ接触する。第1モードでは、可動切片41〜43がそれぞれ端子52〜54に接続されるので、端子52と端子53が導通する。
【0027】
すなわち、可動軸2から可動子36〜33を介して可動子32に可動切片41のバネ力より大きい摺動方向の力が印加されると、二つの可動子31、32の間の隙間37が無くなり(又は小さくなり)、可動切片41の端子対向方向の高さが高くなるので、端子51との接続が可能である。可動子31に印加される摺動方向の力が可動切片41のバネ力より小さくなると、可動切片41のバネ力により可動切片41で接続された二つの可動子31、32が離れる方向に摺動する。可動切片41が摺動方向に伸びると、可動切片41の端子対向方向の高さが低くなり、端子51と可動切片41が離れる。その後、可動軸2の移動と共に可動子31〜36が摺動方向に移動し、可動子31に可動切片41のバネ力より大きい摺動方向の力が印加されると、二つの可動子31、32の間の隙間37が無くなり(又は小さくなり)、可動切片41の端子対向方向高さが高くなるので、端子52との接続が可能である。
【0028】
本実施例の巻線切替装置は、可動軸2の移動によって、可動切片41〜44と端子51〜54との対向関係が変わり、第1モードでは、端子51と端子52が導通し、端子53と端子54が導通し、図4(A)に示すように、第1巻線61と第2巻線62が並列に接続される。また、第2モードでは、端子52と端子53が導通し、図4(C)に示すように、第1巻線61と第2巻線62が直列に接続される。
【0029】
例えば、電動車の駆動用回転電機の場合、高速域では第1モードにおいて第1巻線61と第2巻線62を並列接続し、低速域では第2モードにおいて第1巻線61と第2巻線62を直列接続するとよい。電動車の駆動用回転電機は、一般的に低速域のシステム効率が低いが、低速域で巻線を直列接続して、電圧を増加して電流を半減することによって、インバータの電力素子の導通損やスイッチング損を低減でき、インバータの効率を向上でき、消費電力を低減できる。
【0030】
図5は、固定子1と可動子31の当接部分を示す断面図である。
(【0031】以降は省略されています)

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