JP2006511047A - 電磁駆動装置 - Google Patents

Abstract

空隙を画定する少なくとも１つの磁石装置（２、３）と、空隙（４）内に配置され、磁石に対し動くように案内される可動部（５）と、少なくとも１つの永久磁石と、電流を流し得る少なくとも１つの導体（６）とを備え、可動部（５）の運動により、導体（６）が永久磁石により発生された磁界内に少なくとも部分的に達する、開閉器、特に中電圧領域における開閉器用の電磁駆動装置（１）を、可動部（５）の終端位置に簡単な方法で固定可能とし、駆動動作の簡単な制御を維持するように構成すべく、可動部（５）を少なくとも１つの軟磁性拘束体（７）に固定し、永久磁石（３）で発生した磁束を可動部（５）の終端位置で拘束体（７）を経て流し、かつ空隙（４）を磁束に対し拘束体（７）により分路する。

Description

本発明は、空隙を画定する少なくとも１つの磁石装置と、空隙内に配置され、磁石装置に対し可動に案内される可動部と、少なくとも１つの永久磁石と、電流を流し得る少なくとも１つの導体とを備え、可動部の運動により、導体が永久磁石で発生される磁界内に少なくとも部分的に達する、開閉器、特に中電圧領域の開閉器用の電磁駆動装置に関する。

この種電磁駆動装置は、例えば独国特許出願公開第１９８１５５３８号明細書により公知である。そこに開示されている駆動装置は、複数のモータモジュールから組み立てた三相リニアモータを備えている。モータモジュールは、所定数の固定配置モータコイルと、その長手方向に駆動案内される永久磁石付可動部とを備えている。モータコイルを励磁することで磁界が発生し、該磁界内に可動部の永久磁石が配置される。発生するローレンツ力に基づき、開閉ロッドを経て開閉器の可動接点に接続された可動部が駆動される。真空スイッチを投入すべく、開閉器の可動接点は三相リニアモータにより固定接点に向けて押圧される。その結果可動部は終端位置に達する。

国際公開第９５／０７５４２号パンフレットにより、軟磁性材料からなりフレーム状の閉磁路を形成するヨークを備えた電磁駆動装置が公知である。ヨークは渦電流の発生を防ぐべく、成層体をなしている。該ヨークは中空室を形成し、その中で、軟磁性材料からなる接極子が２つの終端位置の間で変位する。接極子は各終端位置でその端面が軟磁性ヨークに接触する。その際、接触位置と反対側の他方の接極子端面と閉磁路ヨークの間に空隙が生ずる。ヨークの中空室内には、更に各接極子の一方の端面を取り囲む２つのコイルが取り付けられている。両コイル間に磁束発生用の永久磁石がある。接極子は空隙に基づき各終端位置に固定される。空隙側の端面を取り囲むコイルを励磁することで、空隙に、磁気抵抗の減少のために接極子がヨークから開離し、空隙を閉じてその第２の安定終端位置に到達させる強い磁界が生ずる。その終端位置で、当初の空隙を画定していた接極子の他方の端面がヨークに接する。そうなったらコイルの励磁電流は切断してもよい。と言うのは、接極子はその終端位置でも固定されるからである。

上記公知の２つの電磁駆動装置は異なる物理効果を利用している。独国特許出願公開第１９８１５５３８号明細書による電磁駆動装置は、駆動作用を生じさせるべく、磁界中を荷電部材が運動することで発生する、所謂ローレンツ力を利用する。国際出願公開第９５／０７５４２号パンフレットによる電磁駆動装置の作用は、磁界が特に高透磁率、換言すれば低磁気抵抗の材料中で振る舞うという物理効果に帰着する。接極子の変位に伴いシステム全体が、高い磁気的ポテンシャルを有するエネルギ的に好ましくない状態から、空隙が閉じられ、殆ど低磁気抵抗の材料中のみを磁束が通るエネルギ的に好ましい状態に移行する。エネルギ的に好ましい状態へシステムを移行させる力は、勾配により生ずる。かかる効果に基づく駆動方式は、リラクタンス駆動方式とも称される。

ローレンツ力による電磁駆動装置は高度の動特性を備え、更に簡単な方法、即ち磁界により導かれる電流で制御される。しかし欠点も存在する。それは、この駆動装置が安定な終端位置又は中間位置をとることができず、必要に応じ各終端位置に付加的な手段で固定せねばならないことである。そのため、通常はバネやラッチ等が用いられるが、エネルギ消費を伴う欠点がある。リラクタンス駆動方式は、通常安定した終端位置固定という点で優れるものの、ストローク対力特性線が強度に非直線性であるという欠点を持つ。この特性線は終端位置での保持力の負担、又は構造空間の負担に大きく影響される。

従って本発明の課題は、冒頭に述べた型の電磁駆動装置を、終端位置に簡単な方法で固定でき、しかも駆動運動の簡単な制御は維持できるように構成することである。

この課題は、可動部が少なくとも１つの軟磁性拘束体に固定され、永久磁石によって発生された磁束が可動部の終端位置で拘束体を通して流れ、しかも、空隙が磁束に対し拘束体によって分路されることによって解決される。

本発明の電磁駆動装置はローレンツ力を利用し、かつ磁気抵抗の減少に伴い生ずる力作用、即ちリラクタンス力も利用する。そのため、少なくとも一方の終端位置で拘束体により空隙が分路され、空隙は磁束に対する磁気抵抗を高める。従って可動部にとりエネルギ的に好ましい状態となる。拘束体が終端位置から解放された後、磁束は磁石装置に形成された空隙、又は磁石装置と拘束体との間に形成された大きな空隙を経て流れるように強制され、磁気抵抗が高まる。かくして、終端位置に関し磁気的に好ましくない状態が解消する。解放に逆作用する磁気力が生ずるからである。可動部は適切な機構、例えば駆動ロッドと伝動レバーを経て開閉器、特に真空スイッチの可動接点に連結させ得る。その際、駆動装置の終端位置で、可動接点は開閉器の固定接触子に強固に接触する。

開閉器の接点を経て電流が流れると、接点に形成した狭小部により互いに突き放す力が生ずる。駆動装置の終端位置への拘束により接点相互の開離を防ぎ、それによって特に短絡時の、エネルギ量の多いアークの発生を防止できる。

磁束に対する磁気抵抗の減少に伴う力作用は、著しい非直線性を示す。と言うのは、磁石装置から拘束体迄の間隔が小さい場合、大きな力が発生するからである。拘束体がヨークからより大きく離れた中間ストローク位置では、駆動は専らローレンツ力で行う。そのため本発明による電磁駆動装置では、可動部の中間ストローク位置では簡単な方法、即ち導体に電流を流し又はコイルにより電磁的に発生する磁束を変化させることで制御する。しかし、終端位置では、短絡時に可動接点が対向固定接点から開離するのを防止すべく、同時に十分大きな拘束力を提供する。

その際分路のために、拘束体が磁石装置の空隙を画定する領域に接する必要はない。むしろ、拘束体をその領域迄僅かな間隔をもって保持してもよい。その場合、例えば開閉器の固定接点に対する開閉接点用の永久的押圧力を発生できる。しかし、終端位置における磁気抵抗は、起こり得る他のストローク位置に対し最小化するのが基本である。

可動部に、例えば永久磁石を取り付ける。その際、磁路全体の磁気抵抗を終端位置で最小とすべく、永久磁石で発生した磁束を、できれば導体で発生した磁束と共に、拘束体の終端位置で部分的に拘束体を介して流すようにする。

その代わりに、可動部に導体を巻き付けた巻枠を持つ少なくとも１つのコイルを設け、各拘束体をコイルの端面に結合することもできる。本発明のこの好ましい実施形態では、電磁駆動装置はピストン型駆動装置であり、該装置のストロークはコイルの長さにほぼ対応する。拘束体はコイルの一側又は両側に配置できる。可動部が例えば２つの拘束体と１つのコイルを備えるなら、それを２つの終端位置に取り付ける。拘束体が駆動装置のストローク対力特性曲線に及ぼす影響は、拘束体の変形によって高まる。

本発明の好適な実施形態では、磁石装置は永久磁石と軟磁性ヨークを含み、各永久磁石で発生した磁束がヨークを通流する。磁束を導くためにヨークを使用することでコストを低減できる。と言うのは、空隙を大きくて費用の嵩む永久磁石内に形成せずともよいからである。むしろ、より小さな永久磁石で十分である。ヨークは、リング状又はフレーム状に形成するとよい。その場合、例えば四角形のフレームを用い、磁束通路となるフレームを中断する空隙によってのみ中断される磁路を形成できる。渦電流の発生を防止すべく、ヨークを成層型に構成できる。磁石装置、即ち永久磁石は可動部に対し固定する。駆動運動の発生時、可動部が空隙内に潜入する故、本発明のこの実施形態は、潜入コイル原理に基づく駆動方式と称し得る。この駆動装置は、三相リニアモータ原理による駆動装置に対し、三相系統の１相のみから得られる直流電圧で間に合う。

好ましい実施態様では、各拘束体が終端位置で軟磁性ヨークに接する。従って終端位置での拘束体と磁石装置との間の空隙が回避できる。磁束は磁石装置から直接に拘束体へ移行し、磁路の磁気抵抗が最小になる。従って可動部を終端位置で特に強固に拘束できる。

可動部を終端位置から解放するためのバネを設けるとよい。各終端位置での保持力はコイルへの適切な電流供給により減少させ、又は無くし得る。しかもバネは可動部が終端位置から開離するのを支援する。バネとして、例えば圧縮バネが適する。圧縮バネの一端を固定配置のバネ座で支持し、他端を拘束装置の、コイルとは反対側端で支持するとよい。

本発明の他の実施形態では、可動部が軸上に回転可能に支持され、各拘束体が可動部の終端位置で、磁石装置に接続されたストッパに接する。本発明のこの実施形態では、電磁駆動装置はリニアモータではなく、軸を経て回転運動の形で外部へ出力される回転運動を発生する。この実施形態では、磁石装置は、移動磁界を発生する電磁石を備える。

しかし磁石装置が永久磁石を有するヨークを備えると好ましい。その場合、永久磁石で発生した磁束は磁石装置内に形成した切欠き部、即ち空隙を通流する。可動部を中空シリンダ状の空隙にほぼ適合するように形成し、該空隙内に軸によって回転自在に支持する。可動部の導体を励磁することで回転運動が生ずる。導体は、例えば単相電圧を供給される巻線として構成する。しかし、導体は移動磁界を発生するように多相交流で励磁される複数巻線により実現してもよい。終端位置は磁石装置に固定された２つのストッパによる位置決めにより特定する。終端位置領域では、終端位置でストッパの分路を拘束体により行うべく、例えばロッド状に形成した拘束体をその反対側の終端領域でストッパに突き当たらせ得る。そうすることで、磁束は空隙を通流することを強制されるのではなく、ストッパから、より小さな磁気抵抗の拘束体を介して流れるようになる。

可動部を回転対称とし、導体は少なくとも１つの巻線として可動部に設けるとよい。

本発明の他の好ましい実施態様及び利点を、図面を参照して行う以下の実施例に基づいて説明する。なお、対応する構造部分には同一符号を付している。

図１は、本発明による電磁駆動装置１の第１実施例を示す。図示の電磁駆動装置は、ヨーク２と永久磁石３からなる磁石装置を備え、該磁石装置内に空隙４を設けている。磁石装置２、３と空隙４は、永久磁石３が発生する磁束に対する磁路を形成する。その際、空隙４は磁石装置２、３に比べて高い磁気抵抗を持つ領域となる。磁束又は磁界が貫通する空隙４内に、コイル６と拘束体７からなる可動部５が突出している。コイル６は、例えばプラスチック製の、非導電性のコイル巻枠を備える。巻枠に、互いに接触し、外部に対し絶縁された複数の導体を巻き付けている。コイル６の、空隙４内に突出する部分は、永久磁石３により発生された磁界に曝され、その結果、電流によりコイルを励磁することでローレンツ力が発生し、電流方向に応じて可動部５を空隙４内に引き入れたり、そこから引き出したりするように駆動できる。かくして、例えば中電圧領域の電力開閉装置における遮断ユニット用の駆動運動として適用可能なストローク運動が生ずる。

可動部５がローレンツ力に基づき空隙４内に引き込まれ、拘束体７とヨーク２との間の間隔の２倍が空隙４の直径より小さくなると、磁路の磁気抵抗が低下し、空隙４が拘束体７によって分路される。拘束体７が軟磁性ヨーク２に完全に接すると、磁束は専ら、高透磁率、即ち小磁気抵抗の材料を経て閉磁路を形成する。この状態は空隙を有する磁路に対しエネルギ的に支援するものである。そのため拘束体７がヨーク２から離れている位置での可動部５の変位に力勾配が逆作用し、拘束体７はヨーク２に拘束される。

拘束体７をヨーク２から引き離すべく、図１では模式的に示すバネ８を設けている。バネ８は、例えばコイルバネとして構成し、その一端をヨーク２、他端をコイル６で各々支持している。拘束体７がヨーク２に接すると、バネ８が蓄勢される。コイル６に電流を供給することで、バネ８が可動部５を終端位置から開離させるべく保持力を発生する永久磁石磁界が大きく弱まる。バネ８は更に真空バルブの可動接点に対し固定配置の固定接点に接触する継続的押圧力を発生する。その際、可動部の運動を可動接点に伝えるべく、可動接点を、ロッド装置とレバー装置を経て可動部５に機械的に結合させるとよい。

図２は本発明による電磁駆動装置１の第２実施例を示す。図示の実施例では、２つのヨーク片２ａ、２ｂからなるヨーク２が２つの空隙４を備えている。ここでは、可動部５は２つのコイル６が各空隙４内に１つずつ位置している。このようにして力作用に対するローレンツ力の負担分が磁気抵抗の減少により高まる。

図３は、本発明による電磁駆動装置１の第３実施例を示す。図１のものと同様に軟磁性ヨーク２に唯一の空隙４を設けている。しかし、図１に示す実施例と異なり、可動部５はコイル６の両側に配置した２つの拘束体７を備えている。そのため、一方の拘束体７が軟磁性ヨーク２に接し、可動部５が拘束位置にある２つの終端位置が特定されるように、可動部５の運動を両側で限定する。両拘束体を引き離すべく、可動部５の運動方向に対し互いに逆向きに作用するよう配置した２つのバネ８を設けており、バネ８は、各一端が対応する拘束体７で、他端はヨーク２に設けたバネ座で支持される。

図４は本発明による電磁駆動装置の第４実施例を示す。図２と同様に軟磁性ヨーク２は２つのヨーク片２ａ、２ｂからなり、２つの空隙４を備える。可動部５は対応する各空隙内に延びる２つのコイル６を持つ。しかし図２と異なり、図４の可動部５は３つの拘束体７を備える。そのため可動部５は２つの終端位置間でのみ変位可能であり、該位置で各２つの拘束体７が軟磁性ヨーク２に接し、両空隙４を分路する。ここでも拘束体７を引き離すべく、可動部５の運動方向に互いに逆向きに作用する２つの圧力バネ８を設けている。両バネ８は各々一端が拘束体７、他端が図示しない固定配置のバネ座に支持されている。

図４は更に真空スイッチ９を示す。該スイッチ９は非導電性で中空シリンダ状のセラミック部１０と金属製の端板１１、１２を備える。端板１１を固定配置の固定接点１３が貫通しており、該接点１３に軸方向に駆動される可動接点１４を対向配置している。可動接点１４は導電性の開閉ロッド１５で保持している。開閉ロッド１５は金属製のベローズ１６を貫通しており、可動接点は軸方向に自由に運動可能である。セラミック部１０、端板１１、１２並びに金属ベローズ１６の間に、真空状態の真空室１７を形成している。外部との接続のために模式的にのみ示す端子１８を設けている。駆動装置の運動は、レバー１９と非導電性材料製の伝動ロッド２０を経て真空スイッチ９に伝わる。レバー１９は模式的に示す伝動手段２１を経て駆動装置１に結合している。接点に対し必要な押圧力を発生すべく、例えば伝動ロッド２０に配置した接点押圧バネを設ける。

図４は開閉過程の中間位置での真空スイッチ９を示す。それに対して図示しない接触位置（閉成位置）では、可動接点１４が固定接点１３に接触して電流の通流を可能にする。その場合、最下端の拘束体７及び中間の拘束体７はヨーク２に接し、もって真空スイッチ９を接触位置に拘束する。従って狭小部に生ずる力に基づき、可動接点１４が固定接点１３から開離するのを防止できる。しかし最後に開離位置では、上部拘束体７及び中間拘束体７が下部フレーム部でヨーク２に接する。

図３と４に示す実施例では、拘束体７の影響、即ちリラクタンス力成分がローレンツ力に対して増大する。

図５は本発明による電磁駆動装置１の第５実施例を示す。ここに示す電磁駆動装置１は軟磁性ヨーク２と２つの永久磁石３からなる磁石装置を備える。磁石装置は略フレーム状をなし、打抜き楔状の、互いに対向位置に配置された２つの突出部２２を備える。両突出部２２は空隙４を画定する。可動部５は図５には示さない軸で空隙４内に回転自在に支持され、巻線として構成された導体、即ちコイル６を備えている。コイル６は、ここでは三相電源のうちの１相のみによって励磁される。

更に可動部５に、上記と同様の打抜き楔状の２つの拘束体７を設け、それを可動部５の互いに反対側で可動部５に強固に結合している。

永久磁石３で発生した磁束は極小磁気抵抗通路を選択し、突出部２２から可動部５とコイル６を通って流れる。コイル６を励磁することで、ローレンツ力に基づき可動部５が回転運動を開始し、かくして電気開閉設備の真空スイッチバルブのための駆動力を生ずる。真空スイッチバルブの開閉接点の接触位置では、互いに反対側に位置する拘束体７が突出部２２に接し、その結果磁束が突出部２２、拘束体７及び可動部５を通流する。この際、空隙４の分路に対する磁気抵抗を減少すべく拘束体７を強磁性材料で作る。その結果電磁駆動装置１の終端位置がリラクタンス力によって拘束される。

本発明による電磁駆動装置の第１実施例を側面方向から見た配置図である。 本発明による電磁駆動装置の第２実施例を側面方向から見た配置図である。 本発明による電磁駆動装置の第３実施例を側面方向から見た配置図である。 本発明による電磁駆動装置の第４実施例を側面方向から見た配置図である。 本発明による電磁駆動装置の第５実施例を上面方向から見た配置図である。

符号の説明

１ 電磁駆動装置、２ ヨーク、２ａ、２ｂ ヨーク片、３ 永久磁石、４ 空隙、５ 可動部、６ コイル、７ 拘束体、８ バネ、９ 真空スイッチ、１０ セラミックス部、１１、１２ 端板、１３ 固定接点、１４ 可動接点、１５ 開閉ロッド、１６ ベローズ、１７ 真空室、１８ 端子、１９ レバー、２０ 伝動ロッド、２１ 伝動手段、２２ 突出部

Claims (7)

1. 空隙を画定する少なくとも１つの磁石装置（２、３）と、該空隙（４）内に配置され、前記磁石装置に対して動くように案内される可動部（５）と、少なくとも１つの永久磁石と、電流を流し得る少なくとも１つの導体（６）とを備え、前記可動部（５）の運動により、前記導体（６）が前記永久磁石によって発生される磁界内に少なくとも部分的に達する開閉器用の電磁駆動装置（１）において、
   前記可動部（５）が少なくとも１つの軟磁性拘束体（７）に固定され、前記永久磁石（３）によって発生された磁束が前記可動部（５）の終端位置で前記拘束体（７）を通して流れ、しかも前記空隙（４）が前記磁束に対し前記拘束体（７）によって分路されることを特徴とする電磁駆動装置。
2. 前記可動部（５）が導体を巻き付けた巻枠を有する少なくとも１つのコイル（６）を備え、前記各拘束体が前記コイル（６）の端面に結合されたことを特徴とする請求項１記載の電磁駆動装置。
3. 前記磁石装置が前記永久磁石（３）と軟磁性ヨーク（２）を含み、各永久磁石（３）により発生された磁束が前記ヨーク（２）を通流することを特徴とする請求項１又は２記載の電磁駆動装置。
4. 前記各拘束体（７）がその終端位置で前記軟磁性ヨーク（２）に接することを特徴とする請求項３記載の電磁駆動装置。
5. 前記可動部（５）を終端位置から解放するために少なくとも１つのバネ（８）が設けられたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の電磁駆動装置。
6. 前記可動部（５）が軸上に支持されて回転可能であり、前記各拘束体が前記可動部の終端位置で、前記磁石装置に結合されたストッパに接することを特徴とする請求項１記載の電磁駆動装置。
7. 前記可動部（５）が回転対称に形成され、前記導体が少なくとも１つの巻線として前記可動部（５）に設けられたことを特徴とする請求項６記載の電磁駆動装置。
   
   

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