JP2006325298A - ロータリアクチュエータ、ロータリアクチュエータの制御回路、及び、ロータリアクチュエータを用いた開閉器 - Google Patents

Abstract

【課題】 動作開始時の反発力と動作完了時の保持力を増大したロータリアクチュエータを提供する。
【解決手段】 可動鉄心２の両端に永久磁石５が取り付けられる。固定鉄心３にコイル６が巻かれ、磁極部７が可動鉄心２に対向して配置される。磁極部７を連結するヨーク部に可動鉄心の回転範囲を規制する突起部８が形成される。磁極部７と突起部８の間にスリット９が形成される。可動鉄心２は、常時は突起部８と接することで永久磁石５の磁力により保持される。コイル６を励磁することで磁極部７と突起部８は永久磁石５と逆極性になり、可動鉄心２は回転駆動される。このとき、突起部８と永久磁石５は接近しているので、起動トルクを大きく、回転スピードを高いものとすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁式のロータリアクチュエータ、このロータリアクチュエータを制御する制御回路、このロータリアクチュエータを用いた開閉装置に関するものである。

遮断器、断路器、開閉器などの開閉装置の操作機構としては、電動バネ操作機構、油圧式及び空気圧式操作機構などがある。これらの操作機構は、部品数が多く、リンク機構が複雑になるため、比較的高い製造コストを伴うことになる。このようなリンク機構を簡素化する手法の一つに、電磁石を利用した回転型操作機構（ロータリアクチュエータ）がある（特許文献１）。

ロータリアクチュエータを開閉装置に適用する場合には下記の点が問題となる。
（１）回転動作範囲の両端での保持力が小さい。
（２）起動トルクが小さい。
（３）回転スピードが遅い。
（４）回転角度（動作範囲）を広く取れない。
（５）回転角度ごとにトルク特性差が大きくなる。

特許文献１の平板型操作機構は、上記問題点を解決するために、開閉装置の開、閉に対応した駆動範囲の両端位置において、固定側に配置した永久磁石による磁気回路を構成する。そして、バネ力を蓄積した状態で保持がされる構成となっている。

しかし、特許文献１の操作機構では、回転角度（動作範囲）を広く取れないという上記（４）の問題、回転角度によりヨークと回転鉄心の位置と距離との関係が大きく変わり、回転角度ごとにトルク特性差が大きくなるという上記（５）の問題が残っている。また、上記（３）の回転スピードが遅いという問題は、蓄積したバネ力を利用することで解決している。

しかし、特許文献１の回転型操作機構では、真空バルブ、ガス遮断器などに適用した場合に、遮断部の動作負荷に合わせた動作特性を得るのが困難である。また、バネ蓄勢のため、バネが必要となり、更に複雑なリンク機構が必要となるといった問題がある。

特開２００１−２９７９１２号公報

本発明は、簡単な構造で所望の動作特性が得られるロータリアクチュエータを提供することを目的とするものである。
また、本発明は、上記ロータリアクチュエータを効果的に制御する制御回路を提供することを目的とするものである。
さらに、本発明は、上記ロータリアクチュエータを使用した開閉装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記目的を達成するため、ロータリアクチュエータの可動鉄心の端部に、先端側がＮ又はＳ極となるように永久磁石を取り付ける。そして、固定鉄心に、可動鉄心の回転範囲を、一定範囲に規制する突起部と、可動鉄心の回転範囲の両端において、永久磁石に対向する場所に位置する一対の磁極部とを形成する。また、一対の磁極部にＳ又はＮ極を発生させるコイルを固定鉄心に巻回する。

可動鉄心の動作範囲の両端位置においては、可動鉄心の端部に取り付けられた永久磁石の吸引力により、突起部と磁極部とに保持される。コイルに励磁電流を流すと、一方の磁極において反発力が発生し、他方の磁極において吸引力が発生する。同時に、永久磁石により突起部にうず状に発生している磁束により、一方の磁極において大きな反発力が発生する。これにより、可動鉄心が高トルク、高速で回転を開始する。

本発明においては、突起部と磁極部との間にスリットを形成し、このスリットの位置などを調整することにより、可動鉄心の回転角度ごとのトルク特性を簡単に調整することができる。

本発明のロータリアクチュエータにおけるコイルは２つ設けることができる。そして、ロータリアクチュエータの制御回路として、２つのコイルを、励磁直後は並列接続、その後は直列接続となるように構成することで、応答速度を早くすることができる。
また、本発明のロータリアクチュエータは、開閉装置の操作機構として適用するのに好適なものである。

本発明によれば、動作開始時の反発力と動作完了時の保持力を増大したロータリアクチュエータを得ることができる。
また、本発明のロータリアクチュエータは、開閉装置の操作機構として好適な動作特性を得ることができる。

以下、本発明について、実施例ごとに図を用いて説明をする。

本発明を適用したロータリアクチュエータについて説明する。
図１は、本発明を適用したロータリアクチュエータの基本構成を示す。
ロータリアクチュエータ１は、可動鉄心２と固定鉄心３を具備する。
可動鉄心２は、駆動軸４を中心として回転可能に取り付けられる。可動鉄心２の両端に永久磁石５が取り付けられる。永久磁石５は、その先端側が円弧状に形成される。永久磁石５は、一端側がＮ極であるときは、他端側がＳ極となるように可動鉄心２に固着される。

固定鉄心３に、２つの励磁用のコイル６が巻回される。図では、コイル６については、構造を明確に示すため断面で示している。
固定鉄心３に磁極部７が形成される。磁極部７は、可動鉄心２が回転範囲の両端に位置するときに、永久磁石５と対向するように形成される。磁極部７の永久磁石５と対向する部分は、永久磁石５との間のギャップ長が一定になる形状とされる。

上下の磁極部７間を連結するヨーク部の内側に、突起部８が形成される。突起部８は、可動鉄心２と衝突することで、可動鉄心２の回転範囲を規制する。したがって、可動鉄心２は、２つの突起部８の間の範囲で回転可能となる。
固定鉄心３の、磁極部７と突起部８の間に、スリット９が形成される。

突起部８の表面に非磁性体のスペーサ１０が取り付けられる。スペーサ１０として、厚さ０．５〜１ｍｍ程度のポリウレタンが使用される。スペーサ１０は、可動鉄心２と突起部８との間に０．５〜１ｍｍ程度の磁気ギャップを形成し、可動鉄心２が突起部８から離れることを可能にする。同時に、可動鉄心２と突起部８が衝突するときの緩衝材としても機能する。スペーサ１０は、磁気切板として機能するために、ポリウレタンのほかに、アルミ、ステンレス鋼、銅、真鍮などの材料で構成することができる。

図２を用いて、本例のロータリアクチュエータの動作を説明する。
図では、図を見やすくするため、スリット９及びスペーサ１０の図示を省略している。また、コイル６については、断面でなく外形を示している。
ここでは、駆動軸４に開閉装置が連結されているものとして説明を行う。

（Ａ）は、可動鉄心２が、反時計方向に駆動され、スペーサ１０を介して突起部８に近接した状態で静止しており、コイル５は励磁されていない状態を示す。この状態は、開閉装置が閉路状態であるとする。

図示の永久磁石５は、上側がＮ極、下側がＳ極に配置されている。永久磁石５により発生する磁束は、図に矢印で示すように、磁極部７と突起部８を通り、可動鉄心２に対する吸引力を発生する。特に、永久磁石５により突起部８にうず状に発生する磁束は、永久磁石５と突起部８が近接していることから、可動鉄心５の保持力として大きいものが得られる。これにより、可動鉄心２はこの位置に保持され続ける。

（Ｂ）は、開閉装置に開放指令が出され、コイル６に励磁電流が流れた状態を示す。この場合、２つのコイル６は、図示左側がＮ極、右側がＳ極になるように励磁され、矢印で示す磁束を発生する。これにより、永久磁石５は、対向していた磁極部７から反発力を受け、反対側の駆動される方向にある磁極部７から吸引力を受ける。

さらに、永久磁石５により突起部８にうず状に発生する磁束が、コイル６による磁束との作用により、可動鉄心２と突起部８との間に大きな反発力（通常の３〜４倍）を発生させる。
したがって、大きな起動トルクが発生し、可動鉄心２は、太い矢印で示すように、駆動軸４を中心として、時計方向に急速に回転を開始する。

（Ｃ）は回転途中の状態を示す。永久磁石５と磁極部７との間のギャップ長は、一定に保たれているため、回転スピードは高く保たれる。
（Ｄ）に示す位置まで回転をすると、駆動軸４に連結されていた開閉装置は開路され、可動鉄心２のスペーサ１０が突起部８に衝突して、回転を停止する。

（Ｅ）は、（Ｄ）の状態からコイル６の励磁が解かれた状態を示す。この状態では、（Ａ）の状態と同様に、互いに接触する永久磁石５と突起部８との磁気吸引力により、可動鉄心２はその位置に大きな力で保持される。

以上説明したロータリアクチュエータにより、上記の平板型電磁石操作機構における問題点が解決される理由を説明する。
回転動作範囲の両端において、永久磁石５と磁性体の突起部７が接触しているので、その保持力が大きくなり、上記問題点（１）が解決される。

可動鉄心２の動作端では、突起部８が永久磁石５ときわめて接近することになる。このため、起動時に電磁反発力による起動トルクを大きくすることができ、上記問題点（２）が解決される。また、可動鉄心２の回転動作終了時点では、トルクを低下させることができる。したがって、回転軸４に付ける緩衝器を小型化、又は削除することができる。

可動鉄心２の回転駆動中、永久磁石５と磁極部７との間のギャップ長は小さく保たれるため、回転スピードを大きくすることができ、上記問題点（３）が解決される。
可動鉄心２は、小さな突起部８でその回転範囲が規制されるだけであるので、回転角度（動作範囲）を広く取ることができ、上記問題点（４）が解決される。

本例のロータリアクチュエータにより、上記問題点（５）の、回転角度ごとにトルク特性差が大きくなることが解決できる理由を以下に説明する。
図３のグラフは、可動鉄心２の回転角度（横軸）と発生トルク（縦軸）との関係を示す。図において、回転角度−３０°が起動位置、＋３０°が回転終了位置である。

図４は、駆動軸４に対するスリット９との位置関係と、可動鉄心２の回転角度を説明するためのものである。
図４に示すように、可動鉄心２の２つの動作範囲の中間を回転角度０とする。また、駆動軸４の位置からスリット９までの距離がＬとなる。

距離Ｌを変化させることで、図３の各曲線に示すように、特性を変化させることができる。つまり、駆動軸４とスリット９との距離Ｌが遠くなると、図３における左上がりの特性を示し、距離Ｌが近くなると、右上がりの特性を示す。

また、すでに説明した、突起部８による反発力により、駆動軸の回転開始時（−３０°）では、大きな起動トルクが得られることが示されている。
さらに、動作終了位置（＋３０°）では、永久磁石５により突起部８にうず状に発生する磁束により、可動鉄心２と突起部８の間に反発力が発生し、駆動トルクが低下することが示されている。これにより、可動鉄心２が突起部８に衝突するときの衝撃を低減することができる。

本例によれば、図４に示したように、スリット９の位置（距離Ｌ）を適当に選択することにより、回転角度ごとのトルク特性が調整できる。したがって、回転角度ごとのトルク特性差を小さく設定して、回転中のトルクをほぼ一定にすることもできる。
以上説明したように、本例のロータリアクチュエータによれば、従来の平板型電磁石操作機構が有していた各問題点を解決することができる。

ロータリアクチュエータ１の制御回路について図を用いて説明する。
図５は、制御回路の回路構成を示す。
第１のスイッチ１１とダイオード１３との直列接続体と、第２のスイッチ１２とダイオード１３との直列接続体とが形成される。ここで、第１のスイッチ１１は、開閉装置に開指令が出されたときにオンとなり、第２のスイッチ１２は、閉指令が出されたときにオンとなるものとする。

２つのダイオード１３、１３が互いに逆極性になるようにして、２つの直列接続体が並列に接続され、ダイオードスイッチ回路を構成する。ダイオードスイッチ回路の両端に、２つのコイル６、６が直列に接続される。
第１のスイッチ１１と連動する第３のスイッチ１５、１６と、第２のスイッチ１２と連動する第４のスイッチ１７、１８が用意される。

電源１４に対して、スイッチ１５とスイッチ１８が直列に接続される。また、スイッチ１６とスイッチ１７が直列に接続される。各スイッチ１５と１８、１６と１７の接続点の間に、コイル６、スイッチ１１，１２、ダイオード１３、コイル６の接続体が接続される。
また、２つのコイル６、６は、それぞれ、コンデンサ１９を介して、各スイッチ１５と１８、１６と１７の接続点の間に接続される。

図５の制御回路の動作を説明する。
スイッチ１１、１２、１５−１８がすべてオフの場合、コイル６、６には電流が流れない。このとき開閉装置が閉状態であれば、ロータリアクチュエータ１は、図２（Ａ）の状態となる。

開閉装置に遮断指令が出されて、第１のスイッチ１１がオンとなると、連動するスイッチ１５、１６もオンとなり、２つのコイル６、６は電源１４に対して直列に接続され、図２（Ｂ）に示すように励磁される。これにより、開閉装置は開方向へ駆動される。

図２（Ｅ）の状態（開閉装置開状態）で、開閉装置に投入指令が出されて、第２のスイッチ１２及び連動するスイッチ１７、１８がオンとなると、２つのコイル６、６は、電源１４に対して直列に逆極性に接続され、励磁される。これにより、可動鉄心２は、反時計方向に回転駆動される。

ここで、コンデンサ１９の機能を説明する。
スイッチ１１、１５、１６がオンとなると、その瞬間、コンデンサ１９は導通性を示す。これにより、スイッチ１５とスイッチ１６の間に、２つのコイル６とコンデンサ１９とからなる直列回路が並列に接続されることになる。スイッチ１２、１７、１８がオンされた場合も同様である。したがって、スイッチ１１又は１２がオンされた瞬間は、２つのコイル６、６が並列接続されることになる。

スイッチ１１、１２のオンから時間が経過し、コンデンサ１９の充電が終了すると、２つのコイル６、６は上述のように直列接続されることになる。
本例によれば、可動鉄心の起動時には、２つのコイル６、６が並列接続されることにより、大きな起動トルクを得ることができ、起動後は２つのコイル６、６が直列接続されることになる。

図６を用いて、本例のロータリアクチュエータを開閉装置の操作機構に適用した例について説明をする。
ＧＩＳなどの密閉タンク２１内に開閉装置が収納される。タンク２１については、一部のみを示している。

開閉装置については、詳細な構造の表示は省略し、可動コンタクト２２とそのリンク機構２５のみを示している。
開閉装置の駆動軸２３が、タンク２１を貫通して外部へ導出される。駆動軸２３がタンクを貫通する部分は、シール機構２４により、気密が保たれる。

タンク２１の外部にロータリアクチュエータ１が取り付けられる。ロータリアクチュエータ１の駆動軸４と可動コンタクト２２の駆動軸２３とが一直線になるように連結される。
ロータリアクチュエータ１の駆動軸４の回転運動がリンク機構２５により上下運動に変換され、可動コンタクト２２が固定接触子（図示省略）と接触、開離をする。
本例によれば、直接、開閉装置とロータリアクチュエータとを連結することができ、リンク機構２５を簡単な構成にすることができる。

図７を用いて、本発明の第２の実施例について説明する。
図示の例は、２組のコイル６を磁極部７の後ろ側に配置したものである。また、スペーサ１０は可動鉄心２の側面に取り付けることもできる。そのほかの図１の各部と同一機能を有する部分については、同一の符号を付けることにより、重複する説明を省略する。
本例のように、コイル６の配置などについては、種々の変形が可能である。

以上、本発明の実施例について説明をしてきたが、本発明は、以下に例示するように、種々の変形が可能である。
（１）上記実施例１、２では、２つのコイル６、６を使用しているが、１つのコイル６だけを使用するものとすることができる。
（２）スリット９を省略し、磁極部７と突起部８とを直接連結することができる。
（３）ロータリアクチュエータ１と開閉装置の駆動軸２３は、直結する必要はなく、適当な連結機構を介して連結することもできる。

本発明を適用したロータリアクチュエータの第１の実施例の構成を示す図である。 図１のロータリアクチュエータの動作を示す図である。 図１のロータリアクチュエータの動作特性を示す図である。 図３の説明に用いる図で、回転軸とスリットとの位置関係と、可動鉄心２の回転角度について説明する図である。 図１のロータリアクチュエータの制御回路を示す図である。 図１のロータリアクチュエータを開閉装置の操作機構として適用した例を示す図である。 本発明を適用したロータリアクチュエータの第２の実施例の構成を示す図である。

符号の説明

１ ロータリアクチュエータ
２ 可動鉄心
３ 固定鉄心
４ 駆動軸
５ 永久磁石
６ コイル
７ 磁極部
８ 突起部
９ スリット
１０ スペーサ
１１、１２ スイッチ
１３ ダイオード
１４ 電源
１５、１６ 第３のスイッチ
１７、１８ 第４のスイッチ
１９ コンデンサ
２１ タンク
２２ 可動コンタクト
２３ 駆動軸
２４ シール機構
２５ リンク機構

Claims (7)

1. 固定鉄心と、
   この固定鉄心に対して回転可能にされる可動鉄心と、
   この可動鉄心の端部に、先端側がＮ又はＳ極となるように取り付けられた永久磁石と、
   前記固定鉄心に形成され、前記可動鉄心の回転範囲を、一定範囲に規制する突起部と、
   前記固定鉄心に形成され、前記可動鉄心の回転範囲の両端において、前記永久磁石に対向する場所に位置する一対の磁極部と、
   前記固定鉄心に巻回され、励磁されたとき、前記一対の磁極部にＳ極又はＮ極を発生させるコイルと、
   を具備することを特徴とするロータリアクチュエータ。
2. 前記固定鉄心において、前記磁極部と前記突起部との間に、スリットを形成したことを特徴とする請求項１に記載のロータリアクチュエータ。
3. 前記永久磁石が前記可動鉄心の両端に２つ設けられ、前記一対の磁極部及び前記コイルが、前記２つの永久磁石のそれぞれに対して計２組設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載のロータリアクチュエータ。
4. 前記可動鉄心部の、前記突起と接触する部分に、非磁性体のスペーサを取り付けたことを特徴とする請求項１乃至３に記載のロータリアクチュエータ。
5. 請求項３に記載されたロータリアクチュエータを駆動制御するための制御回路であって、
   第１のスイッチと第１のダイオードとの直列接続体と、第２のスイッチと第２のダイオードとの直列接続体とが、前記第１のダイオードと第２のダイオードとが逆極性になるようにして並列に接続されたダイオードスイッチ回路と、
   前記ダイオードスイッチ回路の両端に、前記２つのコイルを直列に接続するコイル接続回路と、
   前記第１のスイッチと連動する第３のスイッチと、前記第２のスイッチと連動する第４のスイッチとから構成され、電源と前記コイル接続回路との間に接続されて、前記第３のスイッチ又は前記第４のスイッチがオンとされたときに、前記２つのコイルに、異なる極性の電流を流すようにした切り替えスイッチ回路と、
   前記コイル接続体のコイルとダイオードスイッチ回路との接続部分と、前記切り替えスイッチ回路との間に接続され、前記第３のスイッチ又は前記第４のスイッチがオンとされた瞬間に、前記２つのコイルが並列に接続されるように動作するコンデンサと、
   を具備することを特徴とするロータリアクチュエータの制御回路。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載のロータリアクチュエータを、可動接点の操作器として用いたことを特徴とする開閉装置。
7. 前記ロータリアクチュエータの回転駆動軸と前記可動接点の回転駆動軸とを直線状に配置したことを特徴とする請求項６に記載の開閉装置。

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