JP2007221049A - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電圧変動によってアーマチュアの吸引力が増減することを抑制する。
【解決手段】 磁路を形成するための第１のヨーク１、２、５、６、９と、前記第１のヨーク１、２、５、６、９に連接された磁路を形成するための第２のヨーク３、４、５、７、９と、前記第１のヨーク１、２、５、６、９内および前記第２のヨーク３、４、５、７、９内の磁束を増減させるソレノイドコイル１０と、前記第１のヨーク１、２、５、６、９内から前記第２のヨーク３、４、５、７、９内までを移動自在に移動するアーマチュア９と、前記アーマチュア９に固定されるとともに、前記第２のヨーク３、４、５、７、９を移動自在に貫通し、且つ開閉器１２に連結される操作ロッド８とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空遮断器などの開閉器の操作機構に用いられる電磁アクチュエータに関する。

従来この種の開閉器の操作機構においては、開路操作および閉路操作を行うために、必要な操作力を電磁アクチュエータで発生させるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

電磁アクチュエータは、磁路を形成するためのヨーク、ヨーク内を移動するように設けられたアーマチュア、アーマチュアを移動もしくは吸引する永久磁石、ヨーク内の磁束を増減させるソレノイドコイル、およびアーマチュアに固定されるとともに、開閉器に連結される操作ロッドから構成される。
特開２００３−３０８７６２号公報 （第４ページ、図１）

上記の従来の電磁アクチュエータにおいては、次のような問題がある。
開閉器を開路状態から閉路状態にする場合、ソレノイドコイルを励磁し、アーマチュアを閉路方向に移動させている。移動においては、操作ロッド、接点などの駆動部重量や開路状態を保持している開路バネなどの外力よりも、ソレノイドコイルを励磁して得られるアーマチュアの吸引力を大きくしていた。即ち、大きな電流（電圧に比例）でソレノイドコイルを励磁し、アーマチュアを閉路方向に吸引していた。

一方、ソレノイドコイルは、定格電圧よりも低い所定の電圧値（＝最低動作電圧、例えば、定格電圧の７５％）からアーマチュアを移動させることができるようになっている。このため、定格電圧の１００％や１００％以上でソレノイドコイルを励磁すると、より大きな吸引力が発生し、必要以上の高速でアーマチュアを移動させてしまう。その結果、開閉器の接点間が衝突したときの衝撃力が大きなものになる。このことは、大きな衝撃力に耐え得る堅固な構造の開閉器が求められ、大型化、重量化、コストアップなどにつながっていた。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、ソレノイドコイルの制御回路の電圧変動によってアーマチュアの吸引力が増減することを抑制し得る電磁アクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電磁アクチュエータは、磁路を形成するための第１のヨークと、前記第１のヨークに連接された磁路を形成するための第２のヨークと、前記第１のヨーク内および前記第２のヨーク内の磁束を増減させるソレノイドコイルと、前記第１のヨーク内から前記第２のヨーク内までを移動自在に移動するアーマチュアと、前記アーマチュアに固定されるとともに、前記第２のヨークを移動自在に貫通し、且つ開閉器に連結される操作ロッドとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ソレノイドコイルを励磁してアーマチュアを駆動させるとき、閉路方向に駆動させる場合には、アーマチュアを閉路方向に吸引させる第２のヨークと、開路方向に吸引する第１のヨークとを設けて、第１のヨークを磁気飽和させた後、第２のヨークにより閉路するようにしているので、ソレノイドコイルの制御回路電圧に左右されず、アーマチュアを所定の速度および吸引力で駆動させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータを図１および図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図、図２は、本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータの動作を説明する図である。なお、図1において、図示右に閉路状態、図示左に開路状態を示している。

図１に示すように、電磁アクチュエータには、磁路を形成するための上部ヨーク１、上部ヨーク１に略直角に配置された第１の側部ヨーク２、第１の側部ヨーク２に直線上に配置された第２の側部ヨーク３、第２の側部ヨーク３に略直角に配置された下部ヨーク４が設けられている。そして、上部ヨーク１、第１の側部ヨーク２、第２の側部ヨーク３および下部ヨーク４でロ字状の磁路が形成される。また、第１の側部ヨーク２と第２の側部ヨーク３間には、内側に突出した環状の中間部ヨーク５が設けられている。更に、上部ヨーク１の内側には内部ヨーク６が固定され、また、下部ヨーク４の内側にはポールピース７が固定されている。

これらのヨーク１、２、３、４、５、６内には、下部ヨーク４とポールピース７とを移動自在に貫通する非磁性体の操作ロッド８が設けられ、操作ロッド８端にアーマチュア９が固定されている。アーマチュア９は、内部ヨーク６とポールピース７間を移動自在に移動できるようになっている。また、磁束を増減させるソレノイドコイル１０が第２の側部ヨーク３に固定されている。

なお、操作ロッド８には、接離自在の一対の接点１１を収納した開閉器１２が連結されている。ここで、内部ヨーク６は、第２の側部ヨーク３、下部ヨーク４および中間部ヨーク５よりも断面積が小さくなっている。

次に、アーマチュア９の駆動を説明する。

図示左の開路状態において、図示しない制御回路からソレノイドコイル１０に電流を流すと、ヨーク１、２、３、４、５、６、ポールピース７内には磁束が形成される。アーマチュア９に流出入する磁束は、中間部ヨーク５→アーマチュア９を通る第１の磁束φ１と、第１の側部ヨーク２→上部ヨーク１→内部ヨーク６→アーマチュア９を通る第２の磁束φ２と、アーマチュア９→空隙部→ポールピース７を通る第３の磁束φ３が形成される。

ここで、第２の磁束φ２は、アーマチュア９を内部ヨーク６側に吸引する吸引力Ｆ１となり、第３の磁束φ３は、アーマチュア９をポールピース７側に吸引する吸引力Ｆ２となる。そして、アーマチュア９は、操作ロッド８などの駆動部重量や開路状態を保持している開路バネなどの外力Ｆｘと吸引力Ｆ１との和よりも大きな吸引力Ｆ２により駆動することになる（Ｆｘ＋Ｆ１＜Ｆ２）。吸引力Ｆ１は吸引力Ｆ２よりも小さく、アーマチュア９の両端を吸引し合うものとなる。

即ち、吸引力Ｆ２が外力Ｆｘを上回っても、アーマチュア９は吸引力Ｆ１の影響で駆動しない。このため、ソレノイドコイル１０の電流を増加させ、吸引力Ｆ２を大きくしなければならない。しかしながら、内部ヨーク６の断面積は中間部ヨーク５などよりも小さいので、内部ヨーク６は磁気飽和する。磁気飽和すると、磁気抵抗が大きくなり、吸引力Ｆ１が小さくなるとともに、内部ヨーク６を通っていた第２の磁束φ２は第１の磁束φ１側に変化する。これにより、吸引力Ｆ１は急激に弱まり、電流上昇で大きくなった吸引力Ｆ２により、アーマチュア９が駆動することになる。

このようなアーマチュア９の駆動とソレノイドコイル１０の電流との関係を図２に示す。

図２の特性Ａに示すように、ソレノイドコイル１０の電流が上昇し、電流ｉ１となる時間ｔ１の点でアーマチュア９が駆動する。特性Ａにより、磁束φ１、磁束φ２、磁束φ３が形成され、吸引力Ｆ１、吸引力Ｆ２が発生する。そして、アーマチュア９の駆動は、上述のようにＦｘ＋Ｆ１＜Ｆ２の関係のもとで開始するので、制御回路の電圧に大きく左右されないものとなる。これは、吸引力Ｆ１、Ｆ２の両者が電流（電圧に比例）によって同様な変化をするためである。したがって、電圧変動があっても、アーマチュア９を所定の速度および操作力で駆動させ、開閉器１２を閉路状態にすることができる。なお、アーマチュア９の駆動後には、電流は減衰する。

これに対し、従来では、特性Ｂのように、電流ｉ１よりも小さい電流ｉ２となる時間ｔ２の点でアーマチュア９が駆動する。電流ｉ２と電流ｉ１の差は、上述の吸引力Ｆ１によるものである。そして、アーマチュア９の駆動は、外力Ｆｘ＜吸引力Ｆ２で開始される。吸引力Ｆ２は、電流の大きさに比例して変化する。

ここで、磁束φ１、φ２が形成される上部ヨーク１、第１の側部ヨーク２、中間部ヨーク５、内部ヨーク６、アーマチュア９を第１のヨークとする。第１のヨークでは、特に磁束φ２でアーマチュア９を開路方向に吸引する。また、磁束φ１、φ３が形成される中間部ヨーク５、アーマチュア９、ポールピース７、下部ヨーク４、第２のヨーク３を第２のヨークとする。第２のヨークでは、特に磁束φ３でアーマチュア９を閉路方向に吸引する。なお、第１のヨークと第２のヨークとは、互いが連接されており、中間部ヨーク５が共用されるものとなる。

なお、第１のヨークを形成する上部ヨーク１、第１の側部ヨーク２の断面積を小さくし、それぞれ磁気飽和させても吸引力Ｆ１を弱めることができる。

また、上部ヨーク１、第１の側部ヨーク２、内部ヨーク６を磁性体の板材を積層した積層構造、あるいは磁性体粉末を箱体内に充填した構造にすれば、渦電流の発生を抑制することができ、第２の磁束φ２を第１の磁束φ１側にスムースに変化させることができる。更に、内部ヨーク６と対向するアーマチュア９の面に、放射状の複数本のスリットを設ければ、上述と同様に磁束φ２、φ１をスムースに変化させることができる。

更には、上部ヨーク１、第１の側路ヨーク２、内部ヨーク６を複数の柱状の磁性体で構成すれば、製造メーカや加工履歴で異なってくる磁化力などの磁気特性を柱状の磁性体の本数（断面積）で調整することができ、磁気飽和のタイミングを制御することができる。また、複数の柱状の磁性体と非磁性体とを組み合わせて構成しても、上述と同様に、磁気特性を調整することができる。これらは、渦電流も抑制することもできる。

開閉器１２を開路状態にする場合には、ソレノイドコイル１０を閉路状態の場合と逆向きに励磁し、アーマチュア９をポールピース７および内部ヨーク６と反発させる。ここでも、第１のヨークのいずれかのヨーク６（１、２）が磁気飽和した後、第２のヨークによって駆動するものとなる。

上記実施例１の電磁アクチュエータによれば、アーマチュア９が閉路方向に駆動するようにソレノイドコイル１０を励磁したとき、閉路方向に吸引させる第２のヨークと、開路方向に吸引する第１のヨークとを備えて、第１のヨークを磁気飽和させた後、第２のヨークにより閉路するようにしているので、制御回路の電圧に左右されず、アーマチュアを所定の速度および操作力で駆動させることができる。

次に、本発明の実施例２に係る電磁アクチュエータを図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施例２に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図である。なお、この実施例２が実施例１と異なる点は、内部ヨークに補助コイルを設けたことである。図３において、実施例１と同様の構成部分においては、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、図示右に閉路状態、図示左に開路状態を示している。

図３に示すように、内部ヨーク６には、この内部ヨーク６内の磁束を増減させる補助コイル２０を設けている。

これにより、開路状態から閉路状態にする場合、図示しない制御回路から補助コイル２０を励磁し、内部ヨーク６の磁気飽和を制御することができる。即ち、磁気飽和を早めたり、遅らせたりすることができ、閉路のタイミングを制御することができる。なお、上部ヨーク１、第１の側路ヨーク２にも補助コイル２０を設けてもよい。

上記実施例２の電磁アクチュエータによれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図。 本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータの動作を説明する図。 本発明の実施例２に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図。

符号の説明

１ 上部ヨーク
２ 第１の側部ヨーク
３ 第２の側部ヨーク
４ 下部ヨーク
５ 中間部ヨーク
６ 内部ヨーク
７ ポールピース
８ 操作ロッド
９ アーマチュア
１０ ソレノイドコイル
１１ 接点
１２ 開閉器
２０ 補助コイル

Claims (7)

1. 磁路を形成するための第１のヨークと、
   前記第１のヨークに連接された磁路を形成するための第２のヨークと、
   前記第１のヨーク内および前記第２のヨーク内の磁束を増減させるソレノイドコイルと、
   前記第１のヨーク内から前記第２のヨーク内までを移動自在に移動するアーマチュアと、
   前記アーマチュアに固定されるとともに、前記第２のヨークを移動自在に貫通し、且つ開閉器に連結される操作ロッドとを備えたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記第１のヨークに磁束を増減させる補助コイルを設けたことを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記第１のヨークは、前記第２のヨークよりも早く磁気飽和することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記第１のヨークを板材を積層した積層構造としたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記第１のヨークを粉末の磁性体で形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
6. 前記第１のヨークを複数の柱状の磁性体で形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
7. 前記第１のヨークを複数の柱状の磁性体および非磁性体を組み合わせて形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。

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