JP2000251590A - 開閉装置 - Google Patents

開閉装置

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JP2000251590A
JP2000251590A JP11346420A JP34642099A JP2000251590A JP 2000251590 A JP2000251590 A JP 2000251590A JP 11346420 A JP11346420 A JP 11346420A JP 34642099 A JP34642099 A JP 34642099A JP 2000251590 A JP2000251590 A JP 2000251590A
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electrode
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敏行 吉澤
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Hiroyuki Sasao
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行盛 岸田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 2つのコイルにパルス電流を供給し、電磁駆
動による開閉動作を行う開閉装置において、電磁駆動を
高効率、高速に行うと共に、開閉極用の電源の小容量化
を行う。 【解決手段】 接離自在な固定電極6と可動電極5から
構成されるスイッチ部1と、可動電極5に連なる可動軸
4と可動コイル10の間に磁性体15を介して固定され
る可動部14と、この可動部14に対向して配置された
固定コイル3a、3bの内径側に磁性体15a、15b
を配置した固定部31、32とを備えることにより、各
コイル間の発生磁界の増大及び高速な立ち上がりを可能
にしている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、電磁駆動によっ
て電極の開閉動作を行う開閉装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図24は、例えば平成8年電気学会産業
応用部門全国大会講演番号260「新型高速スイッチの開
閉動作特性」に示される、電磁反発を利用した第1の従
来例である開閉装置の概略構成図であり、図24(a)
はその閉極状態、図24(b)はその開極状態を示す。
この開閉装置は、接離自在な固定電極6と可動電極5と
から構成されたスイッチ部1と、可動電極5に接続され
た可動軸4の中間部に固定された反発板2と、この反発
板2の軸線方向で可動電極5側に配置され反発板2に電
流を誘起させる開極用コイル3aと、反発板2を介して
開極用コイル3aと対向して配置され反発板2に電流を
誘起させる閉極用コイル3bとを備えている。開極用コ
イル3a及び閉極用コイル3bは、図示しない磁界発生
用電流源に接続されている。
【0003】可動電極5及び固定電極6にはそれぞれ電
路に接続される端子7、7が接続されている。また、可
動電極5と反対側の可動軸4の端部には、閉極時に可動
電極5と固定電極6との間で接圧力を得るための接圧投
入バネ8a、8bと、スイッチ部1の開閉に連動する補
助スイッチ9が設けられている。
【0004】図25は上記接圧投入バネ8a、8bの荷
重特性とそれらの合成荷重を示す図である。図中、40
は接圧投入バネ8aの荷重特性、41は接圧投入バネ8
bの荷重特性、42は接圧投入バネ8a、8bの合成荷
重である。合成荷重42が中間位置から閉極位置までの
撓み範囲で閉極方向に荷重が発生し、中間位置から開極
位置までの撓み範囲で開極方向に荷重が得られるよう
に、各接圧投入バネ8a、8bが配置されている。
【0005】次に、上記構成の開閉装置の開極動作につ
いて説明する。図24(a)の閉極状態において、パル
ス電流を開極用コイル3aに流すと磁界が発生する。こ
れによって開極用コイル3aが発生する磁界を打ち消す
方向の磁界が発生するように反発板2に誘導電流が発生
する。開極用コイル3aが発生する磁界と反発板2が発
生する磁界の相互作用によって、反発板2はコイル3a
に対して電磁反発力を受ける。この電磁反発力によっ
て、反発板2に固着されている可動軸4及び可動電極5
は反発方向に動作する。そして、図25において、閉極
位置から中間位置へ接圧投入バネ8a、8bの撓み量が
変化するにつれて、荷重特性42は減少し、中間位置を
越えると、荷重特性42は開極方向の荷重となり、接圧
投入バネ8a、8bの撓み量が開極位置で、スイッチ部
1は図24(b)に示すように開極状態が保持される。
【0006】次に、開閉装置の閉極動作について説明す
る。図24(b)の開極状態において、パルス電流を閉
極用コイル3bにパルス電流を流すと磁界が発生する。
これによって反発板2に誘導電流が発生し、反発板2は
閉極用コイル3bに対して電磁反発力を受ける。この電
磁反発力によって、反発板2に固着されている可動軸4
及び可動電極5は反発方向に動作する。そして、図25
において、閉極位置から中間位置へ接圧投入バネ8a、
8bの撓み量が変化するにつれて、荷重特性42は増加
し、中間位置を越えると、荷重特性42は閉極方向の荷
重となり、接圧投入バネ8a、8bの撓み量が閉極位置
で、スイッチ部1は図24(a)に示すように閉極状態
となる。
【0007】図26は、例えば実開昭58ー10311
4号公報に記載された第2の従来例である開閉装置の要
部であるプランジャ形電磁石のスリット構造を示したも
のである。図において、可動軸100の先端部には磁性
材料からなる可動体101が固定されている。可動体1
01の片側には板バネ106が固定されている。可動体
101には空隙部104を介して磁性材料からなる固定
体102が対向している。固定体102の周囲には鉄心
105で囲まれたコイル103が設けられている。
【0008】図27は図26の固定体102の斜視図、
図28は固定体102の構成部材の断面図である。固定
体102は、それぞれスリット110が形成された第1
の円筒部107、第2の円筒部108及び第3の円筒部
109が重ねられて構成されている。
【0009】次に、上記構成の開閉装置の動作について
説明する。電流をコイル103に流すと磁界が発生し、
この発生磁界は、固定体102、空隙部104を通して
可動体101に渡り、その後鉄心105を通って固定体
102に戻る閉磁路を形成する。このとき、可動体10
1と固定体102との間に発生磁界の相互作用による電
磁吸引力が発生する。この電磁吸引力によって、板バネ
106の弾性力に逆らって可動体101と一体の可動軸
100は移動する。そして、例えばこの可動軸100の
先端部に連結された可動電極(図示せず)が固定電極
(図示せず)から離れ、開閉装置の接点は開極する。コ
イル103の電流を切ると、固定体102は消磁され、
板バネ106の弾性力により、可動体101と一体の可
動軸100は元の位置に戻り、開閉装置の接点は閉極す
る。
【0010】この開閉装置では、一般に磁界が発生する
際に磁路を妨げる方向に磁場を発生する誘導電流が可動
体101、固定体102及び鉄心105に発生する。特
に、可動体101と固定体102に発生する渦電流は上
記電磁吸引力の速やかな発生を妨げ、可動軸100の動
作を遅くする要因となる。この例では、渦電流を抑制す
るために、固定体102を第1ないし第3の円筒部10
7、108、109からなる積層構造とし、またスリッ
ト110を形成して電磁力の立ち上がりの高速性を確保
している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】第1の従来例である開
閉装置では、反発板2に生じる誘導電流による磁界は、
電気回路の直接電流供給による発生磁界に比べて小さい
ので、コイル発生磁界とその誘導による発生磁界との相
互作用による電磁反発力が小さく、開閉動作に高エネル
ギーを要してしまい、開極用コイル3a、閉極用コイル
3bあるいは各コイル3a、3bにパルス電流を供給す
る電源が大型になるという問題点もあった。
【0012】また、第2の従来例である開閉装置では、
固定体102はスリット110が形成された積層構造で
あり、構造が複雑であり製作が難しく高価になるという
問題点があった。また、コイル103に電流を通電し磁
界が発生した際に固定体102は渦電流が誘導されない
が、可動体101では発生磁界をうち消す方向の磁界が
発生する誘導電流が生じる。これにより、空隙部104
に発生する磁界は、固定体及び可動体にそれぞれ電流を
直接供給して生じる発生磁界に比べて小さくなるので、
発生磁界の相互作用による可動体101と固定体102
との間の電磁吸引力が小さくなり、動作速度が遅くなっ
てしまい、動作速度を速くしようとしたときには、コイ
ルの大型化、コイルにパルス電流を供給する電源の大型
化を図る必要性があり、装置全体を大型化しなければな
らないという問題点があった。
【0013】この発明は、上記のような問題点を解決す
ることを課題とするものであって、開閉動作に要するエ
ネルギーを小さくできると共に、駆動電源を小型化して
装置全体を小型化できる開閉装置を得ることを目的とす
るものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項1に係
る開閉装置は、接離自在な固定電極及び可動電極から構
成されたスイッチ部と、この可動電極と連動する可動軸
と、この可動軸に固定された磁性体及びこの磁性体の外
側を囲った可動コイルを有する可動部と、この可動部に
対向して設けられ、前記可動軸に摺動自在の磁性体及び
この磁性体の外側を囲った固定コイルを有する固定部と
を備え、前記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流
を流すことで生じる可動コイルと固定コイルとの間に作
用する電磁力で、前記可動部及び前記可動軸が移動し
て、前記固定電極及び前記可動電極が接離可能になって
いる。
【0015】この発明の請求項2に係る開閉装置では、
可動コイルの外側を囲って磁性体が設けられており、固
定コイルの外側を囲って磁性体が設けられている。
【0016】この発明の請求項3に係る開閉装置では、
接離自在な固定電極及び可動電極から構成されたスイッ
チ部と、この可動電極と連動する可動軸と、この可動軸
に固定され、可動コイル及びこの可動コイルを覆った磁
性体を有する可動部と、この可動部に対向して設けら
れ、可動コイル及びこの可動コイルを覆った磁性体を有
する固定部とを備え、前記可動コイル及び前記固定コイ
ルに励磁電流を流すことで生じる可動コイルと固定コイ
ルとの間に作用する電磁力で、前記可動部及び前記可動
軸が移動して、前記固定電極及び前記可動電極が接離可
能になっている。
【0017】この発明の請求項4に係る開閉装置では、
可動コイル及び固定コイルに対して励磁電流を流す電源
と、スイッチ部の開閉極時に前記可動コイルと前記固定
コイルとの間に磁界の相互作用を発生するように前記電
源から前記可動コイル、固定コイルに対する励磁電流の
通電方向を設定する通電方向設定手段とを備えている。
【0018】この発明の請求項5に係る開閉装置では、
固定部は、可動部に対して軸線方向両側にそれぞれ対向
配置された、磁性体及び固定コイルを有する第1固定部
及び第2固定部を有し、通電方向設定手段は、スイッチ
部の開極時に電源から可動コイル及び第1固定部の固定
コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記第
1固定部の固定コイルとの間に磁気反発力が発生するよ
うに、前記電源から前記第1固定部の固定コイル及び前
記可動コイルへの通電方向が設定され、且つ前記スイッ
チ部の閉極時に前記電源から前記可動コイル及び前記第
2固定部の前記固定コイルに励磁電流を流すとき、前記
可動コイルと前記第2固定部の前記固定コイルとの間に
磁気反発力が発生するように前記電源から前記第2固定
部の前記固定コイル及び前記可動コイルへの通電方向が
設定されるようになっている。
【0019】この発明の請求項6に係る開閉装置では、
固定部は可動部の軸線方向の一方の側にのみ対向配置さ
れ、通電方向設定手段は、スイッチ部の開極時に電源か
ら可動コイル及び固定コイルに励磁電流を流すとき、前
記可動コイルと前記固定コイルとの間に磁気反発力が発
生するように前記電源から前記可動コイル、固定コイル
への通電方向が設定され、且つ前記スイッチ部の閉極時
に前記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流す
とき、前記可動コイルと前記固定コイルとの間に磁気吸
引力が発生するように前記電源から前記可動コイル、固
定コイルへの通電方向が設定されるようになっている。
【0020】この発明の請求項7に係る開閉装置は、可
動部は接離自在な固定電極及び可動電極から構成された
スイッチ部と、この可動電極と連動する可動軸と、この
可動軸に固定された誘電体からなる可動部と、この可動
部に対向して軸線方向両側にそれぞれ配置された、磁性
体及び固定コイルを有する第1固定部及び第2固定部と
を備え、前記第1固定部の固定コイル、前記第2固定部
の固定コイルに励磁電流を流すことで生じる前記可動体
と、第1固定部、第2固定部との間に作用する電磁力
で、前記可動部及び前記可動軸が移動して、前記固定電
極及び前記可動電極が接離可能になっている。
【0021】この発明の請求項8に係る開閉装置では、
第1固定部の固定コイル、第2固定部の固定コイルに対
して励磁電流を流す電源と、スイッチ部の開極時に前記
第1固定部の固定コイルに磁界を発生させるように前記
電源から前記第1固定部の固定コイルに通電する設定手
段と、前記スイッチ部の閉極時に前記第2固定部の固定
コイルに磁界を発生させるように前記電源から前記第2
固定部の固定コイルに通電する設定手段とを備えてい
る。
【0022】この発明の請求項9に係る開閉装置では、
磁性体は複数の積層板を重ねた積層構造である。
【0023】この発明の請求項10に係る開閉装置で
は、固定部及び可動部にそれぞれ設けられた磁性体表面
に磁性体に発生する誘導電流による弱め磁界を削減する
だけの深さの溝が形成されている。
【0024】この発明の請求項11に係る開閉装置で
は、固定部及び可動部にそれぞれ設けられた磁性体は上
下面に内径側から外径側へのスリットと外径側から内径
側へのスリットを交互に配置したものである。
【0025】この発明の請求項12に係る開閉装置は、
接離自在な固定電極及び可動電極から構成されたスイッ
チ部と、前記可動電極と連動する可動軸と、この可動軸
に固定された可動体と、この可動体と対向して設けられ
ているとともに前記可動軸に対して摺動自在の固定体
と、通電することで生じる電磁力で前記固定体と前記可
動体とを接離させるコイルとを備え、前記可動体及び前
記固定体の少なくとも一方の対向面には渦電流を抑制す
るスリットが形成されている。
【0026】この発明の請求項13に係る開閉装置で
は、対向面においてスリットが占める占有面積は20%
以下である。
【0027】この発明の請求項14に係る開閉装置で
は、固定体の対向面に対して垂直方向に延びた固定体の
側面には固定体の全長に対して1/2〜1/4の長さま
で軸線方向に延びたスリットが形成されている。
【0028】この発明の請求項15に係る開閉装置で
は、可動体の対向面に対して垂直方向に延びた可動体の
側面には可動体の全長に対して1/2〜1/4の長さま
で軸線方向に延びたスリットが形成されている。
【0029】この発明の請求項16に係る開閉装置で
は、可動体は断面I形状である。
【0030】この発明の請求項17に係る開閉装置で
は、可動体は断面E形状である。
【0031】この発明の請求項18に係る開閉装置で
は、可動体は可動軸と一体の断面T形状である。
【0032】この発明の請求項19に係る開閉装置で
は、固定体は断面E形状である。
【0033】この発明の請求項20に係る開閉装置で
は、固定体は円筒形状である。
【0034】この発明の請求項21に係る開閉装置で
は、固定体は、中心部に可動軸が貫通した平板状の可動
体の両面にそれぞれ設けられた第1の固定体及び第2の
固定体から構成され、コイルは、前記第1の固定体の内
側に設けられた第1の第1のコイル及び前記第2の固定
体の内側に設けられた第2のコイルから構成されてい
る。
【0035】この発明の請求項22に係る開閉装置で
は、可動軸と可動軸とは同一材料で一体形成されてい
る。
【0036】
【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態に基づいて説明する。説明中、従来例と同一または相
当部分については、同一符号を付して説明する。 実施の形態1.図1は、この発明の実施の形態1による
開閉装置の要部である電磁反発機構を示す構成図で、図
1(a)はその装置の閉極状態であり、図1(b)はそ
の装置の開極状態である。この開閉装置は、接離自在な
固定電極6と可動電極5から構成されたスイッチ部1
と、可動電極5に接続された可動軸4の中間部に磁性体
15cを介して固定された可動コイル10を有する可動
部14と、可動軸4に摺動自在に設けられた固定部3と
を備えている。
【0037】固定部3は、可動部14を介して対向した
第1固定部31及び第2固定部32から構成されてい
る。可動電極5側の第1固定部31は、磁性体15cに
対向した磁性体15aと、可動コイル10に対向した開
極用コイル3aとを有している。可動電極5と反対側の
第2固定部32は、磁性体15cに対向した磁性体15
bと、可動コイル10に対向した閉極用コイル3bとを
有している。可動部14及び第1固定部31、第2固定
部32のそれぞれの各磁性体15c、15a、15b
は、それぞれ可動コイル10、開極用コイル3a及び閉
極用コイル3bの内径側に配置されている。各磁性体1
5c、15a、15bの中心には可動軸4の貫通を可能
にする孔が形成されている。可動部14の磁性体15c
の孔には可動軸4が固定されており、可動部14と可動
軸4との相対移動が不可能になっており、第1固定部3
1の磁性体15aの孔、第2固定部31の磁性体15b
の孔には可動軸14が摺動可能になっている。
【0038】図2は図1における電磁反発機構を組み込
んだこの発明に係る開閉装置の全体構成図で、図2
(a)はその装置の閉極状態、同図(b)はその装置の
開極状態を示した図である。開閉装置のスイッチ部1の
可動電極5及び固定電極6にはそれぞれ電路に接続する
ための端子7、7が接続されている。また、可動電極5
と反対側の可動軸4の端部には、閉極時に可動電極5と
固定電極6との間に接圧力を得るための接圧投入バネ8
a、8bと、スイッチ部1の開閉に連動する補助スイッ
チ9が設けられている。この接圧投入バネ8a、8bの
構成及び機能は従来例と全く同一なのでその説明は省略
する。
【0039】上記スイッチ部1、可動部14、第1固定
部31、第2固定部32、接圧投入バネ8a、8b等は
支持枠Sに組み付けられている。支持枠Sは、スイッチ
部1を支持、固定したスイッチ部支持部材S1と、第1
固定部31を支持、固定した第1固定部支持部材S2
と、第2固定部32を支持、固定した第2固定部支持部
材S3と、接圧投入バネ8a、8bを支持したバネ支持
部材S4と、補助スイッチ9を支持、固定した補助スイ
ッチ支持部材S5と、各支持部材S1〜S5を締結した
複数本の固定ロッドS6とを備えている。
【0040】図3は図1における開極用コイル3a、閉
極用コイル3b、可動コイル10とそれらにパルス電流
を供給する電源とを電気的に接続した結線回路図であ
る。この結線回路では、開極用コイル3a及び閉極用コ
イル3bに対して励磁電流(パルス電流)を流す電源を
構成する開極用電力貯蔵器11a、閉極用電力貯蔵器1
1bと、スイッチ部1を開閉極時に可動コイル10と開
極用コイル3a、閉極用コイル3bとの間に磁界の相互
作用を発生するように開極用電力貯蔵器11a、閉極用
電力貯蔵器11bから各コイル10、3a、3bに対す
る励磁電流の通電方向を設定する通電方向設定手段とを
備えている。この通電方向設定手段は、開極用放電スイ
ッチ12a、閉極用放電スイッチ12b及びコイル間接
続ダイオード13a、13b等を備えている。
【0041】開極用コイル3a及び可動コイル10はコ
イル間接続ダイオード13aを介して並列に接続され、
開極用電力貯蔵器11aから開極用放電スイッチ12a
を経てパルス電流が開極用コイル3a及び可動コイル1
0に供給されるようになっている。また、閉極用コイル
3b及び可動コイル10もコイル間接続ダイオード13
bを介して並列に接続され、閉極用電力貯蔵器11bか
ら閉極用放電スイッチ12bを経てパルス電流が閉極用
コイル3b及び可動コイル10に供給されるようになっ
ている。コイル間接続ダイオード13aは開極用放電ス
イッチ12aと可動コイル10との間に接続されてい
る。コイル間接続ダイオード13bは閉極用放電スイッ
チ12bと可動コイル10との間に接続されている。こ
の実施の形態では開極用電力貯蔵器11a、閉極用電力
貯蔵器11bはコンデンサであって、電力を貯蔵する電
池であってもよい。
【0042】なお、D1は開極用コイル3aに並列に接
続され開極用コイル3aに蓄積された電磁エネルギーを
放出するダイオード、D2は可動コイル10に並列に接
続され可動コイル10に蓄積された電磁エネルギーを放
出するダイオード、D3は開極用コイル3bに並列に接
続され閉極用コイル3bに蓄積された電磁エネルギーを
放出するダイオードである。
【0043】この実施の形態では、スイッチ部1の開極
時には、開極用電力貯蔵器11aから可動コイル10と
固定コイルである開極用コイル3aとに励磁電流を流す
と、可動コイル10と開極用コイル3aとの間に磁気反
発力が発生するようにその励磁電流の通電方向が設定さ
れるようになっている。また、スイッチ部1の閉極時に
は、閉極用電力貯蔵器11bから可動コイル10と固定
コイルである閉極用コイル3bとに励磁電流を流すと、
可動コイル10と閉極用コイル3bとの間に磁気反発力
が発生するようにその励磁電流の通電方向が設定される
ようになっている。
【0044】次に、上記構成の開閉装置の接点開極動作
について説明する。図3において、放電スイッチ12a
をオンにすると、開極用電力貯蔵器11aから放電スイ
ッチ12a、開極用コイル3aにパルス電流が流れ磁界
が発生する。この発生磁界は第1固定部31の磁性体1
5aの磁気効果により磁束密度が高められ、空間に発生
する磁界強度は大きくなる。同時に可動コイル10にも
パルス電流が流れ、開極用コイル3aに発生する磁界と
逆方向の磁場が発生する。この発生磁界も可動部14の
磁性体15cの磁気効果により磁束密度が高められ、空
間に発生する磁界強度は大きくなる。この結果、開極用
コイル3aと可動コイル10とには互いに逆方向の磁界
が発生し、可動コイル10には磁界の相互作用で紙面下
向きの電磁反発力を受ける。その結果、可動部14に固
着された可動軸4は下方に引き下げられ、スイッチ1の
可動電極5は固定電極6から離れ、スイッチ部1は開極
する。
【0045】ここで、パルス電流が遮断された後は、開
極用コイル3aに蓄積された電磁エネルギーはダイオー
ドD1、開極用放電スイッチ12aを通して開極用コイ
ル3aを循環し徐々に減衰する。また、可動コイル10
に蓄積された電磁エネルギーはダイオードD2を通して
可動コイル10を循環し徐々に減衰する。このとき、可
動コイル10と閉極用コイル3bとの間にコイル間接続
ダイオード13bが接続されていることにより、パルス
電流は閉極用コイル3bに流れ込まないので、これによ
る閉極用コイル3bと可動コイル10との相互作用は発
生せず、開極動作は確実に行われる。また、開極用電力
貯蔵器11aがパルス電流を放電した後、コイル間接続
ダイオード13aが閉極用電力貯蔵器11bから開極用
電力貯蔵器11aに電流が流れることを防ぐことができ
るので、開極動作を行った後、閉極動作ができる。
【0046】次に、上記構成の開閉装置の接点閉極動作
について説明する。図3において、放電スイッチ12b
をオンにすると、閉極用電力貯蔵器11bから放電スイ
ッチ12b、閉極用コイル3bにパルス電流が流れ磁界
が発生する。このとき、発生磁界は磁性体15bの磁気
効果により磁束密度が高められ、空間に発生する磁界強
度は大きくなる。同時に可動コイル10にもパルス電流
が流れ、閉極用コイル3bに発生する磁界と逆方向の磁
場が発生する。この発生磁界も磁性体15cの磁気効果
により磁束密度が高められ空間に発生する磁界強度は大
きくなる。この結果、閉極用コイル3bと可動コイル1
0にはお互い逆方向の磁界が発生し、可動コイル10は
磁界の相互作用で紙面上向きの電磁反発力を受ける。そ
の結果、可動部14及び可動部14に固着された可動軸
4は上方に引き上げられスイッチ部1の可動電極5と固
定電極6とは当接し、スイッチ部1は閉極する。
【0047】ここでパルス電流が遮断された後は、閉極
用コイル3bに蓄積された電磁エネルギーはダイオード
D3、閉極用放電スイッチ12bを通して閉極用コイル
3bを循環し徐々に減衰する。また、可動コイル10に
蓄積された電磁エネルギーはダイオードD2を通して可
動コイル10を循環し徐々に減衰する。また、閉極用電
力貯蔵器11bがパルス電流を放電した後、コイル間接
続ダイオード13bが開極用電力貯蔵器11aから閉極
用電力貯蔵器11bに電流が流れることを防ぐことがで
きるため、閉極動作を行った後、開極動作を確実に行う
ことができる。
【0048】図4はある一定値の電圧を各コイル3a、
3b、10にパルス印加した際に、各コイル3a、3
b、10に流れるコイル電流と時間応答との関係を過渡
応答電磁界解析により求めたときの図であり、図5はあ
る一定値の電圧を各コイル3a、3b、10にパルス印
加した際に、可動部14に発生する電磁反発力(Fz)
と時間応答との関係を過渡応答電磁界解析により求めた
ときの図である。この図4、5において、この実施の形
態1と従来例とを比較すると、電流の時間変化に対し、
磁性体15a、15b、15cの磁気効果により磁束密
度が高くなり、この実施の形態1の電磁力の増加が極め
て大きいことが分かる。特に、磁性体15a、15b、
15cは円環状の各コイル3a、3b、10の内径側の
みに配置されているので、小さな磁気エネルギーで、電
流の上昇速度を妨げること無く、磁界強度の増大が図
れ、その結果、スイッチ部1の高速動作が可能になる。
【0049】次に、この発明の他の実施の形態について
説明する。以下の説明では主として実施の形態1との相
違点のみを説明するものとし、その他の構成及び作用は
省略する。 実施の形態2.図6はこの発明の実施の形態2に係る開
閉装置の主要部である電磁反発機構を示す構成図であ
り、図6(a)はその開閉装置の閉極状態、図6(b)はそ
の開閉装置の開極状態を示している。この実施の形態2
では、実施の形態1の可動コイル10及び開極用コイル
3a、閉極用コイル3bの外側にもそれぞれリング状の
外側磁性体25c、25a、25bを設けたものであ
る。
【0050】この実施の形態2では、磁性体15c、1
5a、15b及び外側磁性体25c、25a、25b
が、可動コイル10、開極用コイル3a及び閉極用コイ
ル3bの内径側、外径側を取り囲むように配置されてい
るので、実施の形態1と比較して、さらに磁気効果によ
り空間部の磁束密度が高くなり、磁界強度が大きくなり
小電流で電磁反発力が大きくなる。また、外側磁性体2
5c、25a、25bは各可動コイル10、開極用コイ
ル3a及び閉極用コイル3bの半径外側方向に作用する
拡張力を保持する機構も兼ねており、拡張力を保持する
ための専用部材を用意する必要性はない。
【0051】実施の形態3.図7は、この発明の実施の
形態3に係る開閉装置の主要部である電磁反発機構を示
す構成図であり、図7(a)はその開閉装置の閉極状態、
図7(b)はその開閉装置の開極状態である。この実施の
形態3は、上記実施の形態2の可動コイル10及び開極
用、閉極用コイル3a、3bの内側及び外側の磁性体を
一体化し、この磁性体35c、35a、35bで、各コ
イル10、3a、3bを覆っている。
【0052】各磁性体35c、35a、35bは、可動
コイル10及び開極用コイル3a、閉極用コイル3bの
内径側の内径リング部351c、351a、351b
と、外径側の外径リング部352c、352a、352
bと、軸線方向対向面の端面部353c、353a、3
53bとをそれぞれ備えている。この図示例では、可動
コイル10についてはその軸線方向の両端面に端面部3
53cが設けられているが、開極用コイル3a、閉極用
コイル3bについては可動コイル10との対向面側にの
み端面部353a、353bが設けられている。勿論、
この開極用コイル3a、閉極用コイル3bの両端面に端
面部353a、353bを設けてもよい。磁性体35
c、35a、35bをこのように形成することにより、
磁気効果により磁束密度がさらに高くなり空間部での磁
界強度が大きくなり小電流で電磁反発力の発生を大きく
することができる。また、磁性体35c、35a、35
bが各コイル10、3a、3bのコイル容器として代用
でき、構造の簡略化を図れる。
【0053】実施の形態4.上記実施の形態1〜3では
可動コイル10、開極用コイル3a、閉極用コイル3b
はそれぞれ並列に接続されているが、直列に接続した場
合にも同等の効果が得られる。このとき、可動コイル1
0と開極用コイル3aが直列に接続され、開極用電力貯
蔵器11aから開極用放電スイッチ12a経てパルス電
流が供給される。また、可動コイル10と閉極用コイル
3bが直接に接続され、閉極用電力貯蔵器11bから閉
極用放電スイッチ12bを経てパルス電流が供給され
る。
【0054】実施の形態5.図8はこの発明の実施の形
態5に係る開閉装置の構成図であり、図8(a)はその
開閉装置の閉極状態、図8(b)はその開閉装置の開極
状態を示している。上記実施の形態1〜4では可動軸4
に固定された可動部14の上下それぞれに、開極用コイ
ル3a及び閉極用コイル3bを備えた第1固定部31、
第2固定部32を配置したが、この実施の形態5では可
動部14の上方にのみ固定コイル3a及び磁性体15a
からなる固定部3を配置したものである。この磁性体1
5c、15aの構成については、実施の形態2のように
外側磁性体25c、25aを設けてもよいし、実施の形
態3のように容器構造の磁性体35c、35aを設けて
もよい。
【0055】図9は、図8における可動コイル10、固
定コイル3aとそれらにパルス電流を供給する電源との
結線図である。図中、符号10は可動コイル、14は可
動部、11aは開極用電力貯蔵器、11bは閉極用電力
貯蔵器、12aは開極用放電スイッチ、12bは閉極用
放電スイッチ、13cはコイル間接続スイッチ、13
e、13fは切り替えスイッチである。この結線では、
可動コイル10及び固定コイル3aに対して励磁電流
(パルス電流)を流す電源を構成する開極用電力貯蔵器
11a、閉極用電力貯蔵器11bと、スイッチ部1を開
閉極時に可動コイル10と固定コイル3a間に磁界の相
互作用を発生するように開極用電力貯蔵器11a、閉極
用電力貯蔵器11bから各コイル10、3aに対する励
磁電流の通電方向を設定する通電方向設定手段を含んで
いる。この通電方向設定手段は、開極用放電スイッチ1
2a、閉極用放電スイッチ12b、コイル間接続スイッ
チ13c、及び切換スイッチ13e、13fを備えてい
る。
【0056】可動コイル10及び固定コイル3aは並列
に接続され、開極用電力貯蔵器11a、閉極用電力貯蔵
器11bから開極用放電スイッチ12aを経てパルス電
流が供給される。コイル間接続スイッチ13cは開極用
放電スイッチ12aを経て開極用電力貯蔵器11aの負
極側と可動コイル10との間に設置される。
【0057】開極動作の場合、コイル間接続スイッチ1
3cと切り替えスイッチ13eをオン、切り替えスイッ
チ13fをオフする。閉極動作の場合、コイル間接続ス
イッチ13cと切り替えスイッチ13eをオフ、切り替
えスイッチ13fをオンにする。コイル間接続スイッチ
13c、切り替えスイッチ13e、13fは、図8にあ
る補助スイッチ9それ自身であるか、または補助スイッ
チ9と電子回路によって連動されていれば、上記実施の
形態同様に開閉動作の信頼性が向上する。
【0058】この実施の形態では、スイッチ部1の開極
時に開極用電力貯蔵器11aから可動コイル10及び固
定コイル3aに励磁電流を流すと、可動コイル10と固
定コイル3aの間に磁気反発力が発生するように開極用
電力貯蔵器11aから各コイル10、3aへの通電方向
を設定し、且つ、スイッチ部1の閉極時に可動コイル1
0と固定コイル3aに励磁電流を流すと、可動コイル1
0と固定コイル53aとの間に磁気吸引力が発生するよ
うに閉極用電力貯蔵器11bから各コイル10、3aへ
の通電方向が設定されるようになっている。なお、D6
は固定コイル3aに並列に接続され固定コイル3aに蓄
積された電磁エネルギーを放出するダイオード、D7は
可動コイル10に並列に接続され可動コイル10に蓄積
された電磁エネルギーを放出するダイオードである。
【0059】次に、この発明の開閉装置の接点開極動作
について説明する。図9において、開極用スイッチ12
aをオンにすると、開極用電力貯蔵器11aからコイル
間接続スイッチ13cを通して固定コイル3aと可動コ
イル10にパルス電流が流れ、互いに逆方向の磁界が発
生する。固定コイル3aと可動コイル10は磁界の相互
作用で紙面下向きの電磁反発力を受ける。このとき、発
生磁界は磁性体15、15aの磁気効果により空間部で
の磁束密度が高められ、空間部での磁界強度は大きくな
る。磁界強度が大きくなると電磁反発力も大きくなり、
小電流で駆動効率が向上する。その結果、磁性体15及
び可動コイル10に固着された可動軸4は下方に引き下
げられスイッチ部1の可動電極5と固定電極6は離れ、
図8におけるスイッチ部1は開極する。
【0060】次に、この発明の開閉装置の接点閉極動作
について説明する。図9において、閉極用スイッチ12
bをオンにすると、閉極用電力貯蔵器11bから切り替
えスイッチ13fを通して固定コイル3aと可動コイル
10にパルス電流が流れお互い同方向の磁界が発生す
る。固定コイル3aと可動コイル10は磁界の相互作用
で紙面上向きの電磁吸引力を受ける。このとき、発生磁
界は磁性体15の磁気効果により空間部での磁束密度が
高められ、空間部での磁界強度は大きくなる。磁界強度
が大きくなると電磁反発力も大きくなり、小電流で駆動
効率が向上する。その結果、磁性体15及び可動コイル
10に固着された可動軸4は上方に引き上げられ、図8
(b)におけるスイッチ部1は閉極する。
【0061】実施の形態6.図10は、この発明の実施
の形態6による開閉装置の主要部である電磁反発機構を
示す構成図であり、同図(a)はその開閉装置の閉極状
態、同図(b)はその開閉装置の開極状態である。この
実施の形態では、実施の形態1〜5と異なり、可動部に
可動コイルを持たない誘電材料からなる反発板2を用い
たものである。
【0062】第1、第2固定部31、32の磁性体35
a、35bは、実施の形態3と同様に開極用、閉極用コ
イル3a、3bの内外径及び軸方向端面を取り囲む構成
で、開極用、閉極用コイル3a、3bの内径側に配置さ
れる内径リング部351a、351bと、外径側に配置
される外径リング部352a、352bと、端面部35
3a、353bとを備え、開極用コイル3a、閉極用コ
イル3bの全体を取り囲むように配置されている。端面
部353a、353bについては、反発板2の対向面と
反対側にのみ設けられている。勿論、磁性体の構成とし
ては、実施の形態1の磁性体15a、15bと同様に各
コイル3a、3bの内径側にのみ配置する構成としても
よいし、実施の形態2の磁性体15a、25a、15
b、25bと同様に各コイル3a、3bの内径側と外径
側に配置するようにしてもよい。なお、スイッチ部1を
開閉する電気制御構成は、図3に示したものを同様のも
のを用いればよい。
【0063】次に、上記構成の開閉装置の開極動作につ
いて説明する。図10(a)の閉極状態において、パルス
電流を開極用コイル3aに流すと、磁界が発生する。こ
れによって、開極用コイル3aが発生する磁界をうち消
す方向の磁界が発生するように反発板2に誘導電流が発
生する。コイル3aが発生する磁界と反発板2が発生す
る磁界の相互作用によって、反発板2はコイル3aに対
して電磁反発力を受ける。このとき、発生磁界は磁性体
35aの磁気効果により空間部での磁束密度が高めら
れ、空間部に発生する磁界強度は増大し、磁界変化量も
大きくなる。反発板2に流れる誘導電流は、上記磁界変
化量が大きいほど、大きくなるので、反発板2に発生す
る電磁反発力も大きくなり、小電流で駆動効率が向上す
る。この電磁反発力によって、反発板板2に固着されて
いる可動軸4及び可動電極5は紙面下方向に動作し、ス
イッチ部1は図10(b)に示すように開極状態が保持さ
れる。
【0064】次に、上記構成の開閉装置の閉極動作につ
いて説明する。図10(b)の開極状態において、パルス
電流を閉極用コイル3bに流すと、磁界が発生する。こ
れによって、閉極用コイル3bが発生する磁界をうち消
す方向の磁界が発生するように反発板2に誘導電流が発
生する。コイル3bが発生する磁界と反発板2が発生す
る磁界の相互作用によって、反発板2はコイル3bに対
して電磁反発力を受ける。このとき、発生磁界は磁性体
35bの磁気効果により空間部での磁束密度が高めら
れ、空間部に発生する磁界強度は増大し、磁界変化量も
大きくなる。反発板2に流れる誘導電流は、上記磁界変
化量が大きい程大きくなるので、反発板2に発生する電
磁反発力も大きくなり、小電流で駆動効率が向上する。
この電磁反発力によって、反発板2に固着されている可
動軸4及び可動電極5は紙面上方向に動作し、スイッチ
部1は図10(a)に示すように開極状態が保持される。
【0065】なお、磁性体35a、35bは、開極用コ
イル3a、閉極用コイル3bを囲むように配置されてい
るので、磁気効果により空間部での磁束密度が高めら
れ、反発板2に生じる発生磁界強度が大きくなり、小電
流で電磁反発力が大きくなることはいうまでもなく、ま
た各コイル3a、3bの拡張力を保持する機構も兼ねて
おり、コイルの保持機構が簡便になる。また、磁性体3
5a、35bと図2に示す支持枠Sの第1、第2固定部
支持部材S2、S3とを別体でもよいし、また第1、第
2支持部材S2、S3を磁性体35a、35bで構成す
ることにより、上記と同様の効果が得られると共に、製
作性がより簡便になる。
【0066】実施の形態7.図11は、この発明の実施
の形態7に係る磁性体を示している。この実施の形態で
は、上記実施の形態1〜6に用いられる開閉装置の固定
部及び可動部に配置した磁性体を積層構造としたもので
ある。磁性体の形態は実施の形態によって異なるが、説
明を簡単にするために、図には実施の形態1、2に示し
た可動部14の内径側の磁性体15cを用いて説明す
る。このリング状の磁性体15cは、扇形状の互いに絶
縁された複数の積層板16を円周方向に重ねたものであ
る。勿論、上記実施の形態1〜6に示したすべての磁性
体についても適用することができる。
【0067】この実施の形態では、各コイル10、3
a、3bにパルス電流が流れると磁界が発生するが、こ
のとき磁性体15cが導電材料でもある場合には、磁性
体15cの表面には誘導電流Ieが発生し、可動コイル
10が発生する磁界と逆方向の磁界を発生するが、磁性
体15cは互いに絶縁された積層板16で構成されてい
るので、誘導電流Ieの流れが切れることになる。その
結果、可動コイル10の発生磁界と逆方向の磁界の発生
が抑えられる。図4、5には実施の形態1に係る磁性体
を積層構造の磁性体としたときの過渡応答解析結果も示
している。この図4、5からも、可動コイル10に流れ
る電流に対して、発生する電磁力がこの実施の形態の磁
性体15cを用いた方が大きいことが分かる。なお、図
11では積層板の数は14枚であるが、これはこの枚数
に限ったものではなく、誘導電流の流れを切るに十分な
枚数の積層が施されていれば効果は十分に得られる。
【0068】実施の形態8.図12はこの発明の実施の
形態8に係る磁性体が示されている。磁性体の形態は実
施の形態によって異なるが、実施の形態7と同様に、説
明を簡単にするために、図には実施の形態1、2に示し
た可動部14の内径側の磁性体15cを用いて説明す
る。この実施の形態8の磁性体15cは、実施の形態7
の磁性体15cを改良したもので、積層構造の代わりに
磁性体に溝加工を施したものである。この実施の形態で
は、磁性体15cの表面に十分な深さの溝17が周方向
に間隔をおいて複数形成されている。
【0069】この実施の形態では、各コイル10、3
a、3bにパルス電流が流れると磁界が発生する。この
とき、磁性体15cが導電材料でもある場合、磁性体1
5cの表面には誘導電流Ieが発生し、コイル10、3
a、3bが発生する磁界と逆方向の磁界を発生する。こ
の誘導電流Ieは、可動コイル10が発生するパルス磁
界が磁性体15cの表面に侵入しようとした場合に、磁
界の進入を妨げる方向に流れる。磁性体15の表面に侵
入する上記パルス磁界は、(式1)のδで定義される表
皮深さだけ侵入すると、1/e(自然対数)に減衰し、そ
れ以上深く侵入できない。よって、磁性体15cの表面
に表皮深さδより十分深い溝17を形成することで、上
記実施の形態7で記述した積層と同様の効果を得ること
ができる。 δ=(2/ω・σ・μ0・μm1/2 ・・・(式1) ここで、δ; 表皮深さ ω; 2πf(fは周波数) σ; 磁性体の導電率 μ0;真空の透磁率(4π×10-7) μm;磁性体の比透磁率 例えば、f=100Hz、σ=107 s/m、μm=2
400とすると、δ=0.3mmとなる。
【0070】また、この実施の形態の磁性体15cは溝
加工を施すだけであり、磁性体15cの強度を保持する
ことができる。また、図12では溝17の本数は14本
であるが、これはこの本数に限ったものではなく、誘導
電流の流れを切るに十分な本数の溝加工が施されていれ
ば効果は十分に得られる。なお、図12において、溝1
7は外径側面、上下面及び内径側面の全て面に施されて
いるが、これは必ずしも全面に施す必要はなく、各コイ
ルからの侵入磁界の大きい面のみに施こすことにより同
様の効果を得られることは言うまでもない。
【0071】実施の形態9.図13はこの発明の実施の
形態9に係る磁性体15cが示されている。この実施の
形態9は上記実施の形態8の磁性体15cを改良したも
ので、溝17の代わりに、溝17よりも幅が狭いスリッ
トを設けている。この実施の形態では、磁性体15上下
面に内径側から外径側へのスリット18aと外径側から
内径側へのスリット18bを軸方向に交互に形成したも
のである。表面上でスリットが占める占有面積は20%
以下である。
【0072】この実施の形態では、図13に示すように
磁性体15cの上下面に内径側から外径側へのスリット
18aと外径側から内径側へのスリット18bを交互に
設けることは、上記実施の形態8で記述した全面の溝加
工に比べ加工が容易であり、加工費用を削減でき、磁性
体15cの強度も向上する。なお、図13において、ス
リット18a、18bは外径側面、上下面、内径側面の
全ての面に施されているが、これは必ずしも全面に施す
必要はなく、各コイルからの侵入磁界の大きい面のみに
施こすことにより同様の効果を得られることは言うまで
もない。
【0073】実施の形態10.図14は、この発明の実
施の形態10による開閉装置の要部断面図である。この
開閉装置は、断面I形状の可動軸200と、この可動軸
200の先端部に固定された磁性体からなる可動体20
1と、この可動体201に空隙部202を介して対向し
ているとともに中心部に可動軸201が摺動する貫通孔
204が形成された固定体203と、可動体201及び
固定体203を囲ったコイル205と、コイル205及
び固定体203を囲っているとともにネジ部206で固
定体203が螺着された鉄心207と、固定体203の
端面に取り付けられ固定体203での残留磁化を消すた
めの非磁性材料のワッシャー199とを備えている。な
お、固定体203と鉄心207とは一体に形成されたも
のでもよい。
【0074】図15は図14の可動体201の斜視図、
図16は図14の固定体203の斜視図である。可動体
201及び固定体203のそれぞれの対向面S1、S2
にはスリット208、209が形成されている。可動体
201のスリット208及び固定体203のスリット2
09のそれぞれの深さは、可動体201及び固定体20
3の表皮深さよりも十分に深くなるようにスリット加工
が施されている。また、可動体201の対向面S1にお
いてスリット208が占める割合が20%以下であり、
固定体203の対向面S2においてスリット209が占
める割合も20%以下である。さらに、可動体201の
周側面にはスリット208から軸線方向に延びたスリッ
ト210が形成されている。このスリット210の長さ
は可動体201の全長のほぼ1/2である。固定体20
3の周側面にはスリット209から軸線方向に延びたス
リット211が形成されている。このスリット211の
長さは固定体203の全長のほぼ1/4である。
【0075】次に、上記構成の開閉装置の接点開極及び
閉極動作について説明する。コイル205にある一定の
電圧を印加すると磁界が発生するが、この発生磁界は、
磁性体からなる可動体201、可動体201の対向面S
1、空隙部202を通して固定体203の対向面S2に
渡り、固定体203、鉄心207を通って可動体201
に戻る閉磁路を形成する。このとき、可動体201の対
向面S1と固定体203の対向面S2との間の空隙部2
02において発生磁界の相互作用による電磁吸引力が発
生し、この電磁吸引力によって、可動軸200端部に取
り付けられた弾性部材(図示せず)の弾性力に逆らって
可動体201と一体の可動軸200は移動する。そし
て、例えばこの可動軸200の先端部の連結部材を介し
て接続された可動電極(図示せず)が固定電極(図示せ
ず)から離れ、開閉装置の接点は開極する。コイル20
5の電流を切ると、可動体201は消磁され、弾性部材
の弾性力により、可動体201と一体の可動軸200は
元の位置に戻り、開閉装置の接点は閉極する。
【0076】この実施の形態では、可動体201のスリ
ット208及び固定体203のスリット209のそれぞ
れの深さは、可動体201及び固定体203の表皮深さ
に対して十分に深くなるようにスリット加工が施されて
いるので、可動体201の対向面S1及び固定体203
の対向面S2での誘導電流の発生が抑制され、電磁吸引
力のロスは低減され、電磁吸引力の立ち上がりが早くな
る。
【0077】図17は本願の発明者が過渡応答電磁界解
析により求めた電磁吸引力の時間変化を示した図であ
り、この図からスリット加工が施されていないものと比
較して電磁吸引力の立ち上がりが早く、また電磁吸引力
の値も大きくなっていることが分かる。
【0078】なお、図18は可動体201及び固定体2
03の対向面に占めるスリット208、209の割合
(S%)と、接点の開極時間(T)(固定部203の対
向面S2に可動部201の対向面S1が当接するまでの
時間)との関係を示しており、この図から、スリットの
占有面積が20%以下では開極時間が短く、それを越え
ると開極時間が長くなることが分かる。それは、スリッ
ト加工が施されることにより、誘導電流の発生が抑制さ
れるものの、20%を越えると、可動体201及び固定
体203のそれぞれの対向面S1、S2では磁気飽和に
達してしまい、有効磁界が低減するためである。
【0079】また、図19は可動体201及び固定体2
03の周側面のスリット210、211の長さと、可動
体201と固定体203との間の磁気吸引力(F)との
関係を示している。なお、図19の値は可動体201の
対向面S1及び固定体203の対向面S2において、ス
リット208、209が占める占有面積が20%である
ときの例である。この図から、スリット長さ比L(可動
体201、固定体203の全長に対するスリット21
0、211の長さの比)が零からほぼ1/2までは、磁
気吸引力の低下は小さいことが分かる。それは、スリッ
ト加工が施されることにより、誘導電流の発生が抑制さ
れるものの、1/2を越えると、可動体201及び固定
体203の周側面では磁気飽和に達してしまい、有効磁
界が低減するためである。
【0080】実施の形態11.図20はこの実施の形態
11の開閉装置の要部斜視図であり、可動体212、固
定体213の全体形状をE形状にした点が実施の形態1
0と異なる。この実施の形態では、可動体212の対向
面S1及び固定体213の対向面S2は凹凸形状になっ
ており、対向面S1、S2の面積が増大したことによ
り、実施の形態11のものと比較して大きな電磁吸引力
を得ることができる。また、可動体212及び固定体2
13は平板型であり、厚み方向の寸法を小さくでき、全
体をコンパクトにできる。
【0081】実施の形態12.図21はこの発明の実施
の形態12の開閉装置の要部斜視図、図22は実施の形
態12の変形例であり、可動体215及び可動軸217
が磁性材料で一体に形成されている。可動体215は円
板形状であり、この可動体215の対向面S1及び周側
面にはスリット218、219が形成されている。この
スリット218、219のそれぞれの深さは、可動部2
15の表皮深さよりも十分に深くなるようにスリット加
工が施されている。磁性材料で構成され、有底円筒状の
固定体216は、中心部で可動軸217が貫通してい
る。この固定体216内にはコイル205が設けれてい
る。固定体216の可動体215と対面する側には固定
体216の表皮深さよりも十分に深いスリット220が
形成されている。
【0082】この実施の形態では、可動体215の対向
面S1及び固定体216の対向面S2の面積が増大し、
大きな電磁吸引力を得ることができ、高速駆動が可能と
なる。また、可動軸217及び可動体215は一体であ
り、製作が簡単である。また、固定体216は円筒型で
あり、構造上、製作が容易となり低コストで製造するこ
とができる。なお、可動軸217を非磁性材料で構成
し、可動部215を磁性材料で構成して、2部材で構成
してもよい。
【0083】実施の形態13.図23は、この発明の実
施の形態13の開閉装置の要部断面図であり、この実施
の形態では、円板状の可動体223と可動軸224とは
一体で形成されている。この可動体223の上面、下面
及び周側面にはスリット230が形成されている。この
スリット230のそれぞれの深さは、可動体223の表
皮深さよりも十分に深くなるようにスリット加工が施さ
れている。なお、図21の開閉装置と同様に、可動軸2
17とコイル205との間にも固定体の一部があっても
よい。磁性材料で構成され、有底円筒状の第1の固定体
221は、中心部で可動軸224が貫通している。この
第1の固定体221内には第1のコイル225が設けれ
ている。第1の固定体221の可動体223と対面する
側には第1の固定体221の表皮深さよりも十分に深い
スリット231が形成されている。磁性材料で構成さ
れ、有底円筒状の第2の固定体222は、中心部で可動
軸224が貫通している。この第2の固定体222内に
は第2のコイル226が設けれている。第2の固定体2
22の可動体223と対面する側にも第2の固定体22
2の表皮深さよりも十分に深いスリット232が形成さ
れている。
【0084】この実施の形態では、スリット230、2
31、232により渦電流の発生を抑制することができ
るとともに、第1のコイル225及び第2のコイル22
6に通電することで、第1の固定体221及び第2の固
定体222と、可動体223との間で大きな電磁吸引力
を得ることができ、高速駆動が可能となる。なお、可動
体223と可動体224とは別部材で構成し、両部材を
連結するようにしてもよい。なお、上記各実施の形態
は、何れも開閉装置の場合について説明したが、この発
明は、自動車用エンジンバルブ等高速駆動を要する装置
にも適用できるのは勿論である。
【0085】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の請求項
1に係る開閉装置によれば、接離自在な固定電極及び可
動電極から構成されたスイッチ部と、この可動電極と連
動する可動軸と、この可動軸に固定された磁性体及びこ
の磁性体の外側を囲った可動コイルを有する可動部と、
この可動部に対向して設けられ、前記可動軸に摺動自在
の磁性体及びこの磁性体の外側を囲った固定コイルを有
する固定部とを備え、前記可動コイル及び前記固定コイ
ルに励磁電流を流すことで生じる可動コイルと固定コイ
ルとの間に作用する電磁力で、前記可動部及び前記可動
軸が移動して、前記固定電極及び前記可動電極が接離可
能になっているので、電磁駆動を高効率化できると共
に、開閉極動作の高速動作を確保できる。
【0086】請求項2に係る発明によれば、可動コイル
の外側を囲って磁性体が設けられているので、可動部及
び固定部のコイルの内径側外径側両側に磁性体を使用す
ることで電磁駆動を高効率化できると共に、コイルの支
持構造を簡便にできる。
【0087】請求項3の発明によれば、接離自在な固定
電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、この可
動電極と連動する可動軸と、この可動軸に固定され、可
動コイル及びこの可動コイルを覆った磁性体を有する可
動部と、この可動部に対向して設けられ、可動コイル及
びこの可動コイルを覆った磁性体を有する固定部とを備
え、前記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流
すことで生じる可動コイルと固定コイルとの間に作用す
る電磁力で、前記可動部及び前記可動軸が移動して、前
記固定電極及び前記可動電極が接離可能になっているの
で、電磁駆動を高効率化できると共に、磁性材料をコイ
ルの巻き枠及び容器に兼用でき製作性が向上する。
【0088】請求項4に係る発明によれば、これらコイ
ルに対して励磁電流を流す電源と、スイッチ部を開閉極
時に前記各コイル間に磁界の相互作用を発生するように
前記電源から前記各コイルに対する励磁電流の通電方向
を設定する通電方向設定手段とを備えたので、開極用電
源または閉極用電源を小容量にできる。
【0089】請求項5に係る発明によれば、固定部は可
動部に対して軸方向両側に対向配置される磁性体と固定
コイルを有する第1及び第2固定部を備え、通電方向設
定手段はスイッチ部の開極時に電源から可動コイルと前
記第1固定部の固定コイルに励磁電流を流すとき、前記
可動コイルと前記第1固定部の固定コイルの間に磁気反
発力が発生するように前記電源から前記各コイルへの通
電方向を設定し、且つ、スイッチ部の閉極時に前記可動
コイルと前記第2固定部の固定コイルに励磁電流を流す
とき、前記可動コイルと前記第2固定部の固定コイル間
に磁気反発力が発生するように前記電源から前記各コイ
ルへの通電方向を設定するようにしたので、可動コイル
と固定コイルの発生磁界の相互作用による電磁反発力を
効率よく発生することができる。
【0090】請求項6に係る発明によれば、可動コイル
を有した可動部に対して固定コイルを有した固定部を対
向して配置し、通電方向設定手段はスイッチ部の開極時
に電源から前記可動コイルと前記固定コイルに励磁電流
を流すとき、前記可動コイルと前記固定コイルの間に磁
気反発力が発生するように前記電源から前記各コイルへ
の通電方向を設定し、且つ、スイッチ部の閉極時に前記
可動コイルと前記固定コイルに励磁電流を流すとき、前
記可動コイルと前記固定コイル間に磁気吸引力が発生す
るように前記電源から前記各コイルへの通電方向を設定
するようにしたので、電磁駆動を高効率化できると共
に、動作用コイルの数を削減し装置全体を小型化でき
る。
【0091】請求項7に係る発明によれば、接離自在な
固定電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、こ
の可動電極と連動する可動軸と、この可動軸に固定され
た誘電体からなる可動部と、この可動部に対向して軸線
方向両側にそれぞれ配置された、磁性体及び固定コイル
を有する第1固定部及び第2固定部とを備え、前記第1
固定部の固定コイル、前記第2固定部の固定コイルに励
磁電流を流すことで生じる前記可動体と、第1固定部、
第2固定部との間に作用する電磁力で、前記可動部及び
前記可動軸が移動して、前記固定電極及び前記可動電極
が接離可能になっているので、固定コイルを囲むように
磁性体を使用することで電磁駆動を効率化することがで
きる。
【0092】請求項8に係る発明によれば、第1、第2
固定部の固定コイルに対して励磁電流を流す電源と、ス
イッチ部の開極時に前記第1固定部の固定コイルに磁界
を発生させるように前記電源から前記第1固定部の固定
コイルに通電する設定手段と、前記スイッチ部の閉極時
に前記第2固定部の固定コイルに磁界を発生させるよう
に前記電源から前記第2固定部の固定コイルに通電する
設定手段とを備えたので、開極用電源または閉極用電源
を小容量にできる。
【0093】請求項9に係る発明によれば、固定部及び
可動部に配置した磁性体を積層するように構成したの
で、磁性体に発生する誘導電流による弱め磁界を削減で
き、電磁駆動を高効率化できると共に、スイッチの高速
動作を可能とし、開極用電源または閉極用電源を小容量
にできる。
【0094】請求項10に係る発明によれば、固定部及
び可動部に配置した磁性体を積層を模擬できる十分な深
さの溝を磁性体表面に加工したので、磁性体に発生する
誘導電流による弱め磁界を削減でき、電磁駆動を高効率
化できると共に、スイッチの高速動作を可能とし、か
つ、磁性体の強度を保持できるようになり、開極用電源
または閉極用電源を小容量にできる。
【0095】請求項11に係る発明によれば、固定部及
び可動部に配置した磁性体上下面に内径側から外径側へ
のスリットと外径側から内径側へのスリットを交互に配
置したので、磁性体に発生する誘導電流による弱め磁界
を削減でき、電磁駆動を高効率化できると共に、スイッ
チの高速動作を可能とし、かつ、磁性体の強度を保持で
きると共に、製作性が容易となり、開極用電源または閉
極用電源を小容量にできる。
【0096】請求項12に係る発明によれば、接離自在
な固定電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、
前記可動電極と連動する可動軸と、この可動軸に固定さ
れた可動体と、この可動体と対向して設けられていると
ともに前記可動軸に対して摺動自在の固定体と、通電す
ることで生じる電磁力で前記固定体と前記可動体とを接
離させるコイルとを備え、前記可動体及び前記固定体の
少なくとも一方の対向面には渦電流を抑制するスリット
が形成されているので、電磁駆動を高速化でき開閉極動
作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を
小容量・コンパクト化できる。
【0097】請求項13に係る発明によれば、対向面に
おいてスリットが占める占有面積は20%以下であるの
で、可動体と固定体の対向面の磁気飽和をスリットを構
成する前の状態とほぼ同等に保てるため、可動体と固定
体との間の電磁力を減少させることなく電磁駆動を高速
化でき、開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源ま
たは閉極用電源を小容量・コンパクト化できる。
【0098】請求項14に係る発明によれば、固定体の
対向面に対して垂直方向に延びた固定体の側面には固定
体の全長に対して1/2〜1/4の長さまで軸線方向に
延びたスリットが形成されているので、固定体の対向面
の磁気飽和をスリットを構成する前の状態とほぼ同等に
保てるため、可動体と固定体との間の電磁力を減少させ
ることなく電磁駆動を高速化でき、開閉極動作の高速動
作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量・コ
ンパクト化できる。
【0099】請求項15に係る発明によれば、可動体の
対向面に対して垂直方向に延びた可動体の側面には可動
体の全長に対して1/2〜1/4の長さまで軸線方向に
延びたスリットが形成されているので、可動体の対向面
の磁気飽和をスリットを構成する前の状態とほぼ同等に
保てるため、可動体と固定体との間の電磁力を減少させ
ることなく電磁駆動を高速化でき、開閉極動作の高速動
作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量・コ
ンパクト化できる。
【0100】請求項16に係る発明によれば、可動体は
断面I形状であるので、製作が簡単であるとともに可動
体の重量を軽くでき、初期駆動を高速化でき、開閉極動
作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を
小容量・コンパクト化できる。
【0101】請求項17に係る発明によれば、可動体は
断面E形状であるので、可動体は固定体に対する対向面
積が増大し、可動体と固定体との間の電磁力を増大でき
るため、電磁駆動を効率化・高速化でき開閉極動作の高
速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量
・コンパクト化できる。
【0102】請求項18に係る発明によれば、可動体は
可動軸と一体の断面T形状であるので、可動体の固定体
に対する対向面積が増大し、可動体と固定体との間の電
磁力を増大できるため、電磁駆動を効率化・高速化でき
開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極
用電源を小容量・コンパクト化できる。
【0103】請求項19に係る発明によれば、固定体は
断面E形状であるので、固定体は可動体に対する対向面
積が増大し、可動体と固定体との間の電磁力を増大でき
るため、電磁駆動を効率化・高速化でき開閉極動作の高
速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量
・コンパクト化できる。
【0104】請求項20に係る発明によれば、固定体は
円筒形状であるので、固定体の製作が容易となる。
【0105】請求項21に係る発明によれば、固定体
は、中心部に可動軸が貫通した平板状の可動体の両面に
それぞれ設けられた第1の固定体及び第2の固定体から
構成され、コイルは、前記第1の固定体の内側に設けら
れた第1の第1のコイル及び前記第2の固定体の内側に
設けられた第2のコイルから構成されているので、第1
のコイル及び第2のコイルに通電することで、第1の固
定体及び第2の固定体と、可動体との間で大きな電磁吸
引力を得ることができ、電磁駆動を効率化・高速化でき
開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極
用電源を小容量・コンパクト化できる。
【0106】請求項22に係る発明によれば、可動軸と
駆動体とは同一材料で一体形成されているので、可動軸
と駆動体とは簡単に、かつ低コストで製作される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による開閉装置の主
要構成図を示し、同図(a)は閉極状態、同図(b)は
開極状態を示す図である。
【図2】 この発明の実施の形態1による開閉装置全体
の構成図を示し、同図(a)は閉極状態、同図(b)は
開極状態を示す図である。
【図3】 この発明の実施の形態1で使用する図1にお
ける開極用コイル、閉極用コイル、可動コイルとそれら
にパルス電流を供給する電源の結線の一例を示した図で
ある。
【図4】 この発明の実施の形態1による効果の解析結
果のうち電流の時間変化を示した図である。
【図5】 この発明の実施の形態1による効果の解析結
果のうち電磁力の時間変化を示した図である。
【図6】 この発明の実施の形態2による開閉装置の主
要構成を示し、同図(a)は閉極状態、同図(b)は開
極状態を示す図である。
【図7】 この発明の実施の形態3による開閉装置の主
要構成を示し、同図(a)は閉極状態、同図(b)は開
極状態を示す図である。
【図8】 この発明の実施の形態5の開閉装置を示し、
同図(a)は閉極状態、同図(b)は開極状態を示す図
である。
【図9】 この発明の実施の形態5で使用する図8にお
ける固定コイルと可動コイルにパルス電流を供給する電
源の結線の一例を示した図である。
【図10】 この発明の実施の形態6による開閉装置の
主要構成を示し、同図(a)は閉極状態、同図(b)は
開極状態を示す図である。
【図11】 この発明の実施の形態7による開閉装置に
おける磁性体の構造を示す図である。
【図12】 この発明の実施の形態8による開閉装置に
おける磁性体の構造を示す図である。
【図13】 この発明の実施の形態9による開閉装置に
おける磁性体の構造を示す図である。
【図14】 この発明の実施の形態10による開閉装置
の要部構成図である。
【図15】 図14の可動体の斜視図である。
【図16】 図14の固定体の斜視図である。
【図17】 本願の発明者が過渡応答電磁界解析により
求めた電磁吸引力の時間変化を示した図である。
【図18】 可動体及び固定体の対向面に占めるスリッ
トの割合と、接点の開極時間との関係図である。
【図19】 可動体及び固定体の周側面のスリットの長
さと、可動体と固定体との間の磁気吸引力との関係図で
ある。
【図20】 この発明の実施の形態11による開閉装置
の要部斜視図である。
【図21】 この発明の実施の形態12による開閉装置
の要部斜視図である。
【図22】 この発明の実施の形態12の変形断面図で
ある。
【図23】 この発明の実施の形態13による開閉装置
の要部断面図である。
【図24】 第1の従来例の開閉装置の構成図で、同図
(a)は閉極状態、同図(b)は開極状態を示す図であ
る。
【図25】 第1の従来例の開閉装置に使用する設圧投
入バネの荷重特性を示す図である。
【図26】 第2の従来例である開閉装置の要部断面図
である。
【図27】 図26の固定体の斜視図である。
【図28】 図26の固定体の構成部材の断面図であ
る。
【符号の説明】
1 スイッチ部、2 反発板、3 固定部、3a 開極
用コイル(固定コイル)、3b 閉極用コイル(固定コ
イル)、4 可動軸、5 可動電極、6 固定電極、1
0 可動コイル、11a 開極用電力貯蔵器(電源)、
11b 閉極用電力貯蔵器(電源)、12a 開極用放
電スイッチ(通電方向設定手段)、12b閉極用放電ス
イッチ(通電方向設定手段)、13a,13b コイル
間接続ダイオード(通電方向設定手段)、13c,13
d コイル間接続スイッチ(通電方向設定手段)、13
e,13f 切り替えスイッチ(通電方向設定手段)、
14 可動部、15,15a,15b 磁性体、25,
25a,25b 外側磁性体、35,35a,35b
磁性体、16 積層板、17 溝、18a,18bスリ
ット、200,217,224 可動軸、201,21
2,215,223 可動体、202 空隙部、20
3,213,216 固定体、205 コイル、S1
対向面、S2 対向面、208,210,209,21
1,218,219,220,232,230,231
スリット、221 第1の固定体、222 第2の固
定体、225 第1のコイル、226 第2のコイル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋田 裕之 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 笹尾 博之 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 岸田 行盛 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 Fターム(参考) 5G028 AA01 AA08 DB05 DB08

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 接離自在な固定電極及び可動電極から構
    成されたスイッチ部と、 この可動電極と連動する可動軸と、 この可動軸に固定された磁性体及びこの磁性体の外側を
    囲った可動コイルを有する可動部と、 この可動部に対向して設けられ、前記可動軸に摺動自在
    の磁性体及びこの磁性体の外側を囲った固定コイルを有
    する固定部とを備え、前記可動コイル及び前記固定コイ
    ルに励磁電流を流すことで生じる可動コイルと固定コイ
    ルとの間に作用する電磁力で、前記可動部及び前記可動
    軸が移動して、前記固定電極及び前記可動電極が接離可
    能になっている開閉装置。
  2. 【請求項2】 可動コイルの外側を囲って磁性体が設け
    られており、固定コイルの外側を囲って磁性体が設けら
    れている請求項1に記載の開閉装置。
  3. 【請求項3】 接離自在な固定電極及び可動電極から構
    成されたスイッチ部と、 この可動電極と連動する可動軸と、 この可動軸に固定され、可動コイル及びこの可動コイル
    を覆った磁性体を有する可動部と、 この可動部に対向して設けられ、可動コイル及びこの可
    動コイルを覆った磁性体を有する固定部とを備え、前記
    可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流すことで
    生じる可動コイルと固定コイルとの間に作用する電磁力
    で、前記可動部及び前記可動軸が移動して、前記固定電
    極及び前記可動電極が接離可能になっている開閉装置。
  4. 【請求項4】 可動コイル及び固定コイルに対して励磁
    電流を流す電源と、スイッチ部の開閉極時に前記可動コ
    イルと前記固定コイルとの間に磁界の相互作用を発生す
    るように前記電源から前記可動コイル、固定コイルに対
    する励磁電流の通電方向を設定する通電方向設定手段と
    を備えた請求項1、2または3に記載の開閉装置。
  5. 【請求項5】 固定部は、可動部に対して軸線方向両側
    にそれぞれ対向配置された、磁性体及び固定コイルを有
    する第1固定部及び第2固定部を有し、 通電方向設定手段は、スイッチ部の開極時に電源から可
    動コイル及び第1固定部の固定コイルに励磁電流を流す
    とき、前記可動コイルと前記第1固定部の固定コイルと
    の間に磁気反発力が発生するように、前記電源から前記
    第1固定部の固定コイル及び前記可動コイルへの通電方
    向が設定され、且つ前記スイッチ部の閉極時に前記電源
    から前記可動コイル及び前記第2固定部の前記固定コイ
    ルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記第2固
    定部の前記固定コイルとの間に磁気反発力が発生するよ
    うに前記電源から前記第2固定部の前記固定コイル及び
    前記可動コイルへの通電方向が設定されるようになって
    いる請求項4に記載の開閉装置。
  6. 【請求項6】 固定部は可動部の軸線方向の一方の側に
    のみ対向配置され、 通電方向設定手段は、スイッチ部の開極時に電源から可
    動コイル及び固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可
    動コイルと前記固定コイルとの間に磁気反発力が発生す
    るように前記電源から前記可動コイル、固定コイルへの
    通電方向が設定され、且つ前記スイッチ部の閉極時に前
    記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流すと
    き、前記可動コイルと前記固定コイルとの間に磁気吸引
    力が発生するように前記電源から前記可動コイル、固定
    コイルへの通電方向が設定されるようになっている請求
    項4に記載の開閉装置。
  7. 【請求項7】 可動部は接離自在な固定電極及び可動電
    極から構成されたスイッチ部と、 この可動電極と連動する可動軸と、 この可動軸に固定された誘電体からなる可動部と、 この可動部に対向して軸線方向両側にそれぞれ配置され
    た、磁性体及び固定コイルを有する第1固定部及び第2
    固定部とを備え、前記第1固定部の固定コイル、前記第
    2固定部の固定コイルに励磁電流を流すことで生じる前
    記可動体と、第1固定部、第2固定部との間に作用する
    電磁力で、前記可動部及び前記可動軸が移動して、前記
    固定電極及び前記可動電極が接離可能になっている開閉
    装置。
  8. 【請求項8】 第1固定部の固定コイル、第2固定部の
    固定コイルに対して励磁電流を流す電源と、スイッチ部
    の開極時に前記第1固定部の固定コイルに磁界を発生さ
    せるように前記電源から前記第1固定部の固定コイルに
    通電する設定手段と、前記スイッチ部の閉極時に前記第
    2固定部の固定コイルに磁界を発生させるように前記電
    源から前記第2固定部の固定コイルに通電する設定手段
    とを備えた請求項7に記載の開閉装置。
  9. 【請求項9】 磁性体は複数の積層板を重ねた積層構造
    である請求項1ないし請求項8の何れかに記載の開閉装
    置。
  10. 【請求項10】 固定部及び可動部にそれぞれ設けられ
    た磁性体表面に磁性体に発生する誘導電流による弱め磁
    界を削減するだけの深さの溝が形成されている請求項1
    ないし請求項8の何れかに記載の開閉装置。
  11. 【請求項11】 固定部及び可動部にそれぞれ設けられ
    た磁性体は上下面に内径側から外径側へのスリットと外
    径側から内径側へのスリットを交互に配置した請求項1
    ないし請求項8の何れかに記載の開閉装置。
  12. 【請求項12】 接離自在な固定電極及び可動電極から
    構成されたスイッチ部と、 前記可動電極と連動する可動軸と、 この可動軸に固定された可動体と、 この可動体と対向して設けられているとともに前記可動
    軸に対して摺動自在の固定体と、 通電することで生じる電磁力で前記固定体と前記可動体
    とを接離させるコイルとを備え、 前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方の対向面に
    は渦電流を抑制するスリットが形成されている開閉装
    置。
  13. 【請求項13】 対向面においてスリットが占める占有
    面積は20%以下である請求項12または請求項13に
    記載の開閉装置。
  14. 【請求項14】 固定体の対向面に対して垂直方向に延
    びた固定体の側面には固定体の全長に対して1/2〜1
    /4の長さまで軸線方向に延びたスリットが形成されて
    いる請求項12または請求項13に記載の開閉装置。
  15. 【請求項15】 可動体の対向面に対して垂直方向に延
    びた可動体の側面には可動体の全長に対して1/2〜1
    /4の長さまで軸線方向に延びたスリットが形成されて
    いる請求項12ないし請求項14の何れかに記載の開閉
    装置。
  16. 【請求項16】 可動体は断面I形状である請求項12
    ないし請求項15の何れかに記載の開閉装置。
  17. 【請求項17】 可動体は断面E形状である請求項12
    ないし請求項15の何れかに記載の開閉装置。
  18. 【請求項18】 可動体は可動軸と一体の断面T形状で
    ある請求項12ないし請求項15の何れかに記載の開閉
    装置。
  19. 【請求項19】 固定体は断面E形状である請求項12
    ないし請求項15の何れかに記載の開閉装置。
  20. 【請求項20】 固定体は円筒形状である請求項12な
    いし請求項15の何れかに記載の開閉装置。
  21. 【請求項21】 固定体は、中心部に可動軸が貫通した
    平板状の可動体の両面にそれぞれ設けられた第1の固定
    体及び第2の固定体から構成され、コイルは、前記第1
    の固定体の内側に設けられた第1の第1のコイル及び前
    記第2の固定体の内側に設けられた第2のコイルから構
    成された請求項12ないし請求項15の何れかに記載の
    開閉装置。
  22. 【請求項22】 可動軸と可動体とは同一材料で一体形
    成されている請求項12ないし請求項21の何れかに記
    載の開閉装置。
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