JP2006172739A - 電磁操作機構 - Google Patents

Abstract

【課題】高価なリニアベアリング等を使用することなく、摺動接触部における摩擦力の変動が小さく、安定な駆動特性を確保できる電磁操作機構を得る。
【解決手段】固定鉄心１と、固定鉄心１の励磁状態に応じて往復移動するように支承され周面の少なくとも一部を固定鉄心１に対向する可動鉄心２と、固定鉄心１の磁路の一部を構成し可動鉄心１の端面の一方または他方を固定鉄心１に吸着保持させるための永久磁石３と、固定鉄心１の励磁状態を変化し可動鉄心２を駆動させるための駆動コイルとを備え、可動鉄心２の固定鉄心１に対向する周面に設けられ可動鉄心１の往復移動方向に延在して摺動接触部を形成する角部ＣＰを曲面形状とした。
【選択図】図３

Description

この発明は、電磁操作機構、特に、電力用開閉器や開閉装置等の開閉機器を駆動するための電磁操作機構に関するものである。

従来の積層型の電磁操作機構では、可動子と固定子間の摺動面の摩擦を低減するために、ベアリングプレート（ｂｅａｒｉｎｇ＿ｐｌａｔｅ）を用いている（例えば、特許文献１参照）。

ＵＫ Ｐａｔｅｎｔ ＧＢ ２２９７４２９ Ｂ（６頁３−６行、ＦＩＧＵＲＥ３−４）

積層型の電磁アクチュエータで構成される電磁操作機構の場合、可動子（可動鉄心）形状は矩形が一般的である。通常、可動子と連結された可動軸に沿って可動子が往復運動可能であり、そのような状態で固定子（固定鉄心）に支持される。また、固定子に配置された永久磁石の発生する磁束は可動子を貫通するため、可動子には軸方向および、軸方向と垂直な方向にも磁気吸引力が作用する。この磁気吸引力は、可動子に対してモーメントとして作用するため、可動子は、可動軸を中心として固定子と接触するまで回転する。このとき、回転した矩形型の可動子のエッジ部が固定子と接触することになり、この状態で電磁アクチュエータを動作させると（軸方向）、接触接触部で大きな摩擦力が作用する。
これを防ぐために、先行例ではリニアベアリングを設置しているが、リニアベアリングは高価であるだけでなく、その配置にも精度が要求され、組み立てコストがかかるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高価なリニアベアリング等を使用することなく、摺動接触部における摩擦力の変動が小さく、安定な駆動特性を確保できる電磁操作機構を得ることを目的としている。

この発明に係る電磁操作機構は、固定鉄心の励磁状態に応じて往復移動するように支承され周面の少なくとも一部を前記固定鉄心に対向する可動鉄心を備え、前記可動鉄心の前記固定鉄心に対向する周面に設けられ前記可動鉄心の往復移動方向に延在して摺動接触部を形成する角部を曲面形状としたものである。

この発明によれば、摺動接触部における摩擦力の変動が小さく、安定な駆動特性を確保できる電磁操作機構を得ることができる。

実施の形態１．
この発明による実施の形態１を図１から図６までについて説明する。図１は実施の形態１における電磁操作機構の構成を示す断面摸式図である。図２は実施の形態１における可動鉄心からなる可動子の構成を示す斜視図である。図３は図１のIII−III線における断面図である。図４は実施の形態１における電磁操作機構の構成を示す要部断面図である。図５は電磁操作機構の変形構成を示す斜視図である。図６は実施の形態１における電磁操作機構の変形構成を示す断面摸式図である。

実施の形態１による開閉器ないしは開閉装置のための電磁操作機構の構成を示す図１において、電磁操作装置６は、積層された電磁鋼板で構成される固定鉄心からなる固定子１と、固定子１の内部に往復運動可能な状態で支持される積層された電磁鋼板で構成される可動鉄心からなる可動子２、可動子２を固定子１に吸着させるための永久磁石３、吸着された可動子２を駆動させるための少なくとも１つ以上の駆動コイル４から構成される。
電磁操作装置６は、可動子２と接続された可動軸２１が接点対５と連結され、電磁操作装置６を動作させることで、接点対５を開閉操作し、接点対５に流れる回路電流を入り切りするものである。

図２は、可動子２を示す斜視図であり、複数枚の鋼板２１１を積層することにより構成される。
このように、固定子１や可動子２が積層鋼板で構成されるのは、過渡的に変動する磁束が鉄心内を貫通するときに発生する渦電流を防止するためである。渦電流とは、磁束の侵入を妨げるよう鉄心表面に発生する環状電流である。鉄心を積層することにより、この渦電流を抑制することで、電磁石の性能（動作効率）を上げることができることは周知の技術である。
可動鉄心からなる可動子２は、全体として直方体からなる矩形の形状を有し、その周面の少なくとも一部は固定鉄心からなる固定子１に対向する。可動鉄心からなる可動子２の周面には可動子２の移動方向に延在する角部ＣＰが形成されており、この角部ＣＰが固定子１との摺動接触部を構成する。
この実施の形態では、この積層された可動子２の最も外側の鋼板２２の幅を長くして側面を一定の曲率で曲げ、角部ＣＰに相当する部分に曲面を形成する。

図３は、図１のIII−III線での断面図である。固定子１と可動子２の間には空隙Ｇが存在する。また、電磁鋼板２１１で構成される可動鉄心からなる可動子２と固定子１間には永久磁石３による磁気吸引力が作用しているため、可動子２は可動軸２１を中心に回転し、可動子２のエッジ部が固定子１と接触する状態で安定する。また、空隙Ｇを、各部品の寸法公差の許す限り最小にまで小さくすれば、可動子２の回転角を最小にできる。

次に、この電磁アクチュエータの動作について説明する。
たとえば、図１に示すように、可動子２が固定子の１上部に接触している時、永久磁石３がつくる磁束により可動子２は固定子１上面に吸着保持される。
コイル４１を励磁すると、コイル４１のつくる磁場が永久磁石３のそれに打ち勝つと可動子２は下方に吸引され、その後、コイル４１の励磁を止めても、永久磁石３のつくる磁束により可動子２は下方に吸着保持されたままである。
原理的に上下対称であるので、コイル４０を励磁すれば、同じ原理により可動子２は上方に駆動され、その後、コイル４０への励磁を止めても、可動子は上方に吸着保持される。

このように、可動子２が往復運動するとき、可動子２のエッジ部分に形成される角部ＣＰと固定子１は接触しているので、摺動摩擦が発生する。
摺動摩擦が大きいと、電磁アクチュエータの動作を阻害するため、一定の駆動特性を得るには電磁アクチュエータに余分なエネルギーが必要とされるので、非効率的である問題が生じる。
この実施の形態では、可動子２のエッジ部分に形成される角部ＣＰを曲面に形成している。
２物体間の摺動摩擦は２物体間の接触面積に比例する。２物体間の接触面積は、通常複数の点で接触しており、２物体間に作用する押付け力と物体の降伏応力で決定される。つまり、摩擦力（摩擦係数）は面圧（＝押付け力／接触面積）に依存する。
上記のごとく、接触する物体の曲率を大きくすることは、接触面積を増加させるので、面圧を低下させ、摩擦を低減させる効果がある。また、面圧が低いと接触部の摺動による損傷を抑制することができる。逆に言えば、面圧が高いと多数回の摺動動作により接触部が損傷していくので、接触面積が増大し摩擦力が上昇してしまい、駆動特性が安定しない問題が発生する。この実施の形態のように、面圧が低くできれば、即ち、電磁アクチュエータの駆動特性が、多数回動作後でも変わらないことを意味する。

更に、図４に示すように、図４（ａ）に示す状態から図４（ｂ）に示す状態へ可動子２が角度θだけ回転すると、可動子２が回転接触する箇所に磁束が偏って貫通することになり可動子２にはモーメントが作用する。回転角が大きいと、この磁束の偏りは大きくなりモーメントも増加する。モーメントは、可動子２と固定子１との間の押付け力に相当するので、このモーメントが大きいと摩擦が大きくなる。従って、空隙Ｇを最小にすることで、可動子の回転角を最小にし、可動子２と固定子１との間の摺動摩擦を最小にすることができる。

なお、以上の手段は、矩形型の可動子を有するアクチュエータ全てに適用できることはいうまでもない。
図５および図６は、例えば、特開２００４−２２７９６６公報に開示されているアクチュエータを示すものである。摺動接触する部位が異なるが、可動子の回転により、固定部と接触することは同一であり、このような構成を持つ電磁操作機構にも、前述した手段を適用することができる。

この発明による実施の形態１によれば、固定鉄心１と、前記固定鉄心１の励磁状態に応じて往復移動するように支承され周面の少なくとも一部を前記固定鉄心１に対向する電磁鋼板を積層して構成された可動鉄心２とを備え、前記可動鉄心２の前記固定鉄心１に対向する周面に設けられ前記可動鉄心２の往復移動方向に延在して摺動接触部を形成する角部ＣＰを曲面形状としたので、摺動接触部における摩擦力の変動が小さく、安定な駆動特性を確保できる電磁操作機構を得ることができる。

この発明による実施の形態１によれば、前項の構成において、前記固定鉄心１の磁路の一部を構成し前記可動鉄心２の端面の一方または他方を前記固定鉄心１に吸着保持させるための永久磁石３と、前記固定鉄心１の励磁状態を変化し前記可動鉄心２を駆動させるための駆動コイル４０，４１とを設けたので、可動鉄心が永久磁石により吸着保持され駆動コイルにより駆動される電磁操作機構において、摺動接触部における摩擦力の変動が小さく、安定な駆動特性を確保できる電磁操作機構を得ることができる。

この発明による実施の形態１によれば、前２項の構成において、前記可動鉄心２が鋼板からなる積層磁性板によって構成され、最外層に配置された磁性板の両側のみを曲げることで曲面を構成するようにしたので、可動鉄心を構成する積層磁性板の最外層に配置された磁性板の両側のみを曲げることにより、摺動接触部における摩擦力の変動が小さく、安定な駆動特性を確保できる電磁操作機構を得ることができる。

この発明による実施の形態１によれば、固定鉄心１と、前記固定鉄心１の励磁状態に応じて往復移動するように支承され周面の少なくとも一部を前記固定鉄心１に対向する略矩形状の形状を有する可動鉄心２と、前記固定鉄心１の磁路の一部を構成し前記可動鉄心２の端面の一方または他方を前記固定鉄心１に吸着保持させるための永久磁石３と、前記固定鉄心１の励磁状態を変化し前記可動鉄心２を駆動させるための駆動コイル４０，４１とを備え、可動鉄心２と固定鉄心１間の空隙を寸法公差の許す限り最小寸法で構成して、可動鉄心の回転角を小さく抑制するようにしたので、可動鉄心と固定鉄心間の空隙を最小寸法で構成することにより、摺動接触部における摩擦力の変動が小さく、安定な駆動特性を確保できるものであって、可動鉄心に作用する回転モーメントが抑制されるので、摺動部の接触圧力ひいては摩擦力が低下し、駆動効率（駆動／入力電気エネルギー）の高い電磁操作機構を得ることができる。

実施の形態２．
この発明による実施の形態２を図７について説明する。図７は実施の形態２における可動鉄心からなる可動子の構成を示す端面図である。
この実施の形態２において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

この実施の形態２における可動鉄心からなる可動子の構成を示す図７において、電磁鋼板２１１を積層して構成された可動鉄心からなる可動子２の最も外側の鋼板２２の角部ＣＰにおけるエッジは曲面加工され曲面形状に形成されている。
実施の形態１では、積層可動子の最外鋼板を曲げたが、この実施の形態２における図７に示すように、最外鋼板２２のエッジを曲面加工しても同じ効果が得られる。もちろん、このことは、ブロック型の可動子のエッジでも同じである。
なお、以上の手段は、実施の形態１において説明した図５および図６に示す構成に適用することができる。

この発明による実施の形態２によれば、固定鉄心１と、前記固定鉄心１の励磁状態に応じて往復移動するように支承され周面の少なくとも一部を前記固定鉄心１に対向する略矩形状の形状を有する可動鉄心２と、前記固定鉄心１の磁路の一部を構成し前記可動鉄心２の端面の一方または他方を前記固定鉄心１に吸着保持させるための永久磁石３と、前記固定鉄心１の励磁状態を変化し前記可動鉄心２を駆動させるための駆動コイル４０，４１とを備え、前記可動鉄心２の前記固定鉄心１に対向する周面に設けられ前記可動鉄心２の往復移動方向に延在して摺動接触部を形成する角部ＣＰを曲面形状としたものであって、前記可動鉄心２が鋼板からなる積層磁性板によって構成され、最外層に位置する磁性板のエッジを曲面加工して前記摺動接触部を形成する角部ＣＰを曲面形状とするようにしたので、積層磁性板によって構成される可動鉄心の最外層に位置する磁性板のエッジを曲面加工することにより、摺動接触部における摩擦力の変動が小さく、安定な駆動特性を確保できる電磁操作機構を得ることができる。

実施の形態３．
この発明による実施の形態３を図８および図９について説明する。図８は実施の形態３における電磁操作機構の構成を示す要部断面図である。図９は実施の形態３における電磁操作機構の構成を示す要部断面図である。
この実施の形態３において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１および実施の形態２における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

この実施の形態３における電磁操作機構の構成を示す図８において、可動子２の外側に高硬度の薄板材２３が配置され固定されている。高硬度の薄板材２３は可動子２の固定子１との摺動接触部となる角部ＣＰを形成し、この高硬度の薄板材２３により多数回の摺動に対して消耗が少ないため、摩擦の変動を小さくできる効果がある。

そして、図９に示すように薄板材２３を固定子１側に配置しても同じ効果がある。高硬度材料からなる薄板材２３は固定子１を覆うようにして配設され固定子１に固着される。

この発明による実施の形態３によれば、固定鉄心１と、前記固定鉄心１の励磁状態に応じて往復移動するように支承され周面の少なくとも一部を前記固定鉄心１に対向する略矩形状の形状を有する可動鉄心２と、前記固定鉄心１の磁路の一部を構成し前記可動鉄心２の端面の一方または他方を前記固定鉄心２に吸着保持させるための永久磁石３と、前記固定鉄心１の励磁状態を変化し前記可動鉄心２を駆動させるための駆動コイル４０，４１とを備え、可動鉄心２と固定鉄心１の摺動接触部に、高硬度材料からなる薄板２３を挟むようにしたので、高硬度材料からなる薄板２３を挟むことにより、摺動接触部における摩擦力の変動が小さく、安定な駆動特性を確保できる電磁操作機構を得ることができる。

実施の形態４．
この発明による実施の形態４を図１０および図１１について説明する。図１０は実施の形態４における可動子の構成を示す斜視図である。実施の形態１１における電磁操作機構の変形構成を示す要部断面図である。
この実施の形態４において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１から実施の形態３までにおける構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

この実施の形態４における可動子の構成を示す図１０において、可動子２に設けられる可動軸２１は横断面が六角形の形状を有している。可動軸２１を支承する軸受（図示せず）は横断面が六角形の支承面を有し、可動軸２１とこれを支承する軸受の支承面との係合により可動子２の回転は抑制される。
実施の形態１では、可動子２が回転することを前提にしているが、この実施の形態４では、可動子２が回転して固定子１と接触しないようにする回転抑制手段を設けたものである。
これにより、可動軸２１によってて可動子２の回転角を抑制する。もちろん可動軸２にも摩擦が発生するが、回転角を小さく抑制できれば、磁束の偏りつまりモーメントを抑制することができるので、可動軸２１での摩擦を抑制することができる。
ここで、可動軸２１の横断面および軸受の支承面の横断面は、六角形の他、四角形や楕円形などの非円形にすることができる。

そして、図１１に示すごとく、可動子２と固定子１の間に、いわゆるインローによる凹凸部分Ａを設けて、可動子２における回転角を抑制しても同様の効果があることはいうまでもない。

この発明による実施の形態４によれば、固定鉄心１と、前記固定鉄心１の励磁状態に応じて往復移動するように支承され周面の少なくとも一部を前記固定鉄心１に対向する略矩形状の形状を有する可動鉄心２と、前記固定鉄心１の磁路の一部を構成し前記可動鉄心２の端面の一方または他方を前記固定鉄心２に吸着保持させるための永久磁石３と、前記固定鉄心１の励磁状態を変化し前記可動鉄心２を駆動させるための駆動コイル４０，４１とを備え、可動鉄心２に設けられる可動軸２１の断面、および、これを支承する軸受の支承面の断面を非円形に構成して、可動鉄心２の回転を抑制するようにしたので、可動鉄心の可動軸および軸受の断面を非円形に構成することにより、摺動接触部における摩擦力の変動が小さく、安定な駆動特性を確保できる電磁操作機構を得ることができる。

この発明による実施の形態４によれば、実施の形態１から実施の形態３までにおける構成において、固定鉄心１と、前記固定鉄心１の励磁状態に応じて往復移動するように支承され周面の少なくとも一部を前記固定鉄心１に対向する略矩形状の形状を有する可動鉄心２と、前記固定鉄心１の磁路の一部を構成し前記可動鉄心２の端面の一方または他方を前記固定鉄心２に吸着保持させるための永久磁石３と、前記固定鉄心１の励磁状態を変化し前記可動鉄心２を駆動させるための駆動コイル４０，４１とを備え、可動鉄心の回転を抑制する回転抑制手段を設けたものであって、前記回転抑制手段は、可動鉄心２と固定鉄心１との間に凹凸部分Ａを設けて、可動鉄心２の回転を抑制するようにしたので、可動鉄心と固定鉄心との間に設けられた凹凸部分により、可動鉄心の回転を抑制して、摺動接触部における摩擦力の変動が小さく、安定な駆動特性を確保できる電磁操作機構を得ることができる。

この発明によれば、矩形可動子のエッジ部が曲面になっていることにより面圧が低下するため、摺動摩擦の増大を抑制することができ、電磁アクチュエータの安定な動作を得ることができる。
この発明によれば、矩形可動子と固定子の間に低摩擦係数ないしは高硬度のシート材を挿入することにより、摩擦力を小さく、ないしは安定に（多数回動作させた場合でも、摩擦上昇が小さい）することができる。
この発明によれば、矩形可動子の回転角を抑制することにより、接触圧力を低減することができ摩擦力の上昇を防ぐことができる。

この発明による実施の形態１における開閉器の全体構成を示す断面図である。 この発明による実施の形態１における可動子の構成を示す斜視図である。 この発明による実施の形態１における電磁操作機構の構成を示す要部断面図である。 この発明による実施の形態１における電磁操作機構の構成を示す要部断面図である。 この発明による実施の形態１における電磁操作機構の変形構成を示す斜視面図である。 この発明による実施の形態１における電磁操作機構の変形構成を示す要部断面図である。 この発明による実施の形態２における電磁操作機構の構成を示す要部断面図である。 この発明による実施の形態３における電磁操作機構の構成を示す要部断面図である。 この発明による実施の形態３における電磁操作機構の変形構成を示す要部断面図である。 この発明による実施の形態４における電磁操作機構の構成を示す要部斜視図である。 この発明による実施の形態４における電磁操作機構の変形構成を示す要部断面図である。

符号の説明

１ 固定子、２ 可動子、２１ 可動軸、２１１ 積層鋼板、２２ 最外層鋼板、２３、薄板材、３ 永久磁石、４０，４１ 駆動コイル、５ 接点対、６ 電磁操作装置。

Claims (9)

1. 固定鉄心と、前記固定鉄心の励磁状態に応じて往復移動するように支承され周面の少なくとも一部を前記固定鉄心に対向する可動鉄心とを備え、前記可動鉄心の前記固定鉄心に対向する周面に設けられ前記可動鉄心の往復移動方向に延在して摺動接触部を形成する角部を曲面形状としたことを特徴とする電磁操作機構。
2. 前記固定鉄心の磁路の一部を構成し前記可動鉄心の端面の一方または他方を前記固定鉄心に吸着保持させるための永久磁石と、前記固定鉄心の励磁状態を変化し前記可動鉄心を駆動させるための駆動コイルとを設けたことを特徴とする請求項１に記載の電磁操作機構。
3. 前記可動鉄心が積層磁性板にて構成され、最外層に配置された磁性板の両側縁のみを曲げることで曲面を構成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁操作機構。
4. 前記可動鉄心が積層磁性板にて構成され、最外層に配置された磁性板の両側縁におけるエッジを曲面加工することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁操作機構。
5. 固定鉄心と、前記固定鉄心の励磁状態に応じて往復移動するように支承され周面の少なくとも一部を前記固定鉄心に対向する可動鉄心と、前記固定鉄心の磁路の一部を構成し前記可動鉄心の端面の一方または他方を前記固定鉄心に吸着保持させるための永久磁石と、前記固定鉄心の励磁状態を変化し前記可動鉄心を駆動させるための駆動コイルとを備え、前記可動鉄心と固定鉄心の摺動接触部に、高硬度材料からなる薄板を挟むことを特徴とする電磁操作機構。
6. 固定鉄心と、前記固定鉄心の励磁状態に応じて往復移動するように支承され周面の少なくとも一部を前記固定鉄心に対向する可動鉄心と、前記固定鉄心の磁路の一部を構成し前記可動鉄心の端面の一方または他方を前記固定鉄心に吸着保持させるための永久磁石と、前記固定鉄心の励磁状態を変化し前記可動鉄心を駆動させるための駆動コイルとを備え、前記可動鉄心の回転を抑制する回転抑制手段を設けたことを特徴とする電磁操作機構。
7. 前記可動鉄心と固定鉄心間の空隙を寸法公差の許す限り最小寸法で構成することにより、可動鉄心の回転角を小さく抑制することを特徴とする請求項６に記載の電磁操作機構。
8. 前記可動鉄心に設けられる可動軸、および、これを支承する軸受の断面を非円形に構成することにより、可動鉄心の回転を抑制することを特徴とする請求項６に記載の電磁操作機構。
9. 前記可動鉄心と固定鉄心間に凹凸部分を設けて、可動鉄心の回転を抑制することを特徴とする請求項６に記載の電磁操作機構。
   

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