JP2009212372A - Electromagnetic actuator and power switchgear using the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電磁アクチュエータ及びこれを用いた電力用開閉装置に関するものである。 The present invention relates to an electromagnetic actuator and a power switchgear using the same.
真空遮断器の操作機構では、電磁アクチュエータが適用される。これは、真空遮断器の接点が、他の遮断器と比較して開離距離が短く且つ直線的に動作するといった特徴があるためであり、短ギャップで強い電磁吸引力を発生する直動双安定形電磁アクチュエータが適しているためであった。この直動双安定形の電磁アクチュエータの構造や動作説明は、例えば図15(特許文献1)に記載されている。 In the operation mechanism of the vacuum circuit breaker, an electromagnetic actuator is applied. This is because the contact of the vacuum circuit breaker has a feature that the opening distance is shorter and linearly operated compared to other circuit breakers, and a linear motion twin that generates a strong electromagnetic attraction force with a short gap. This is because a stable electromagnetic actuator is suitable. For example, FIG. 15 (Patent Document 1) describes the structure and operation of the linear bistable electromagnetic actuator.
しかしながら、真空遮断器以外の遮断器や、他の開閉機器では、ストロークが長く、かつ、接点が往復回動運動(揺動運動)する場合が多い。また、「入り」、「切り」の2点動作だけでなく、開閉機器の一部では、「入り」、「切り」、「入り」の3点動作をさせる場合もある。これは、2つの固定接点A,Bと、1つの可動接点Mから構成され、この可動接点が3点の間を往復回動運動することで、接点A入り、切り、接点B入りの3状態を実現する接点となる。 However, in a circuit breaker other than a vacuum circuit breaker and other switchgear, the stroke is long and the contact often reciprocates (oscillates). In addition to the two-point operation of “ON” and “OFF”, a part of the opening / closing device may perform a three-point operation of “ON”, “OFF”, and “ON”. This is composed of two fixed contacts A and B and one movable contact M, and this movable contact reciprocates between three points, so that three states including contact A, cut, and contact B are included. It becomes a contact point that realizes.
例えば図16(特許文献2)は、揺動双安定形電磁アクチュエータを示したものであり、特許文献1を回動タイプに変形した構造となっている。動作後半は磁束が略接線方向に流れるため高トルクが期待できるが、動作初期は径方向に流れてしまうためトルクが小さい。低圧ブレーカのように接点が揺動運動することで開閉するような場合、このように揺動双安定形電磁アクチュエータを適用してもよいし、前述の直動双安定形の電磁アクチュエータにおいても回動リンク機構を介せば往復揺動運動を取り出すことができる。しかし、3点動作することはできない。
For example, FIG. 16 (Patent Document 2) shows an oscillating bistable electromagnetic actuator, which has a structure obtained by transforming
一方、図17(特許文献3)は、3つの安定点間を回動する電磁アクチュエータである。以下に、構成と動作原理を説明する。磁性体にて構成され2つの磁極(1a、1b)を有する回転子1は、シャフト7にて回動可能な状態に支持され、磁性体で構成され3つの磁極(2a、2b、2c)を有する固定子2とは空隙3を介して配置される。固定子磁極2a、2b、2cを励磁するための巻き線4a、4b、4cが巻回される。固定子2に固定された永久磁石(図示せず)よって、空隙3には径方向放射線状に直流磁束が作用する。巻き線4a、4b、4cに図示した向きに通電すると、回転子1は時計回りに回動して第2の安定位置(回転子1と磁極2cが向き合う位置)に変位し、通電終了後も永久磁石トルクにて保持される。他位置へも同様に、巻き線4a、4b、4cの通電方向を選択することで、動作させることができる。しかし、図17の従来例では、一般的なステッピング・モータと同様、径方向の磁束を制御することで回動させているため、高速駆動、高トルク出力は困難である。また、通常の変電所や受電室には、バッテリなどの直流電源しかないため、このようなモータを動作させるためには、パルス出力用の電源やコントローラを別途用意する必要があり、経済的ではない。
On the other hand, FIG. 17 (Patent Document 3) is an electromagnetic actuator that rotates between three stable points. The configuration and operating principle will be described below. A
例えば、ガス絶縁開閉装置のような、高電圧・大型の電力用開閉装置へ適用する場合、高速・高トルクな運動が要求される。鉄心間に作用する電磁(吸引)力Fは、
F=φ2/(2μS)・φ/|φ|
で表される。ここに、φは鉄心間に流れる磁束、μは真空の透磁率、Sは面積である。ただし、Fはベクトル量であり、ベクトルφと平行な向きである。つまり、特許文献3に示すように、磁束φのほとんどが径方向(放射方向)に流れる構成であると、電磁トルク(荷重は接線方向)の利用効率が悪いのは言うまでもなく、駆動に必要なトルクを発生するには、本体が大型化してしまう課題がある。
For example, when applied to a high-voltage and large-sized power switchgear such as a gas insulated switchgear, a high-speed and high-torque motion is required. The electromagnetic (suction) force F acting between the iron cores is
F = φ 2 / (2 μS) · φ / | φ |
It is represented by Where φ is the magnetic flux flowing between the iron cores, μ is the vacuum permeability, and S is the area. However, F is a vector quantity and is parallel to the vector φ. That is, as shown in
また、従来のモータでも複数のギヤ機構を介すれば、高いトルク出力を得ることは可能であるが、効率が悪化し、装置が複雑になるだけでなく、低速駆動となる課題があった。
また、従来の直動形アクチュエータを揺動形アクチュエータに変形した特許文献2に示す構成例だと、高トルク出力が得られる可能性があるが、ストロークが小さく、また、3点で動作させることはできない。
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、大きな駆動トルクを発生させることができ、操作装置自体を小型化できる電磁アクチュエータおよびこれを用いた開閉機器を搭載した電力用開閉装置を得ることを目的とする。
Further, even with a conventional motor, it is possible to obtain a high torque output through a plurality of gear mechanisms, but there is a problem that not only the efficiency is deteriorated and the apparatus is complicated, but also low speed driving is performed.
In addition, in the configuration example shown in
The present invention has been made to solve the above-described problems, and can generate a large driving torque and can reduce the size of the operation device itself, and an electric power equipped with an opening / closing device using the electromagnetic actuator. An object is to obtain a switchgear for a vehicle.
この発明に係わる電磁アクチュエータは、内側に複数の磁極を有する固定鉄心と、前記固定鉄心に支承される回転軸と、前記固定鉄心の内側に配置され、リング状部材と連結され、前記回転軸に支持されて前記回転軸を中心に回動し得る可動鉄心と、前記可動鉄心を駆動する磁束を発生させる少なくとも1つ以上の駆動コイルとを備え、前記駆動コイルは前記可動鉄心の位置で円周の略接線方向の向きを有する磁束を発生させるように前記固定鉄心に配置され、前記駆動コイルを付勢することにより、前記可動鉄心を前記駆動コイルの内側で回動させて変位させるものである。 An electromagnetic actuator according to the present invention includes a fixed iron core having a plurality of magnetic poles on the inside, a rotating shaft supported by the fixed iron core, an inner side of the fixed iron core, connected to a ring-shaped member, and connected to the rotating shaft. A movable iron core supported and capable of rotating about the rotation axis; and at least one drive coil for generating a magnetic flux for driving the movable iron core, the drive coil being circumferential at the position of the movable iron core Are arranged on the fixed iron core so as to generate a magnetic flux having a substantially tangential direction, and by urging the drive coil, the movable iron core is rotated and displaced inside the drive coil. .
また、この発明に係わる電磁アクチュエータは、固定鉄心の内側に配置され、リング状部材と連結される可動鉄心が、前記固定鉄心の一部を切り欠いた切欠き部で前記固定鉄心に至るアームを介して回転軸に支持されるようにしたものである。 Further, the electromagnetic actuator according to the present invention has an arm that is arranged inside the fixed iron core and connected to the ring-shaped member, and has an arm that reaches the fixed iron core at a notch part of the fixed iron core. It is made to be supported by a rotating shaft via
この発明の電磁アクチュエータによれば、駆動コイルは可動鉄心の位置で円周の略接線方向の向きを有する磁束を発生させるように固定鉄心に配置され、前記駆動コイルを付勢することにより、前記可動鉄心を前記駆動コイルの内側で回動させて変位させるので、大きな駆動トルクを発生させることができ、その結果、電磁アクチュエータ自体を小型化できる。 According to the electromagnetic actuator of the present invention, the drive coil is disposed on the fixed iron core so as to generate a magnetic flux having a substantially tangential direction of the circumference at the position of the movable iron core, and by energizing the drive coil, Since the movable iron core is rotated and displaced inside the drive coil, a large drive torque can be generated, and as a result, the electromagnetic actuator itself can be miniaturized.
また、この発明の電磁アクチュエータによれば、固定鉄心の内側に配置され、リング状部材と連結される可動鉄心は、前記固定鉄心の一部を切り欠いた切欠き部で前記固定鉄心に至るアームを介して回転軸に支持されるようにしたので、前記可動鉄心の回動(ストローク)に対して駆動コイルと前記アームが衝突しないので、より長い回動(ストローク)を確保できる。 According to the electromagnetic actuator of the present invention, the movable iron core disposed inside the fixed iron core and connected to the ring-shaped member is an arm that reaches the fixed iron core at a notch part of the fixed iron core. Since the drive coil and the arm do not collide with the rotation (stroke) of the movable iron core, a longer rotation (stroke) can be secured.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による電磁アクチュエータを示す模式図である。絶縁性ガスを満たしたタンク100の内部に固定接触子101,102と、可動接触子103が
配置され、可動接触子103が往復回動運動することで、電気回路を切り替えるものであり、可動接触子103から、可動ロッド104を介して、タンク100の外に配置される
電磁アクチュエータ10と接続される。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an electromagnetic actuator according to
図2及び図3は実施の形態1による電磁アクチュエータ10の正面図および側面図である。電磁アクチュエータ10は、両側に配置された固定ヨーク13を有し主として鉄にて構成された固定鉄心(固定コア)14と、固定鉄心14の内側に配置され、リング状部材12と連結され、回転軸16を中心に回動運動可能な可動鉄心(可動子)18と、リング状部材12と連結された可動鉄心18を回転軸16に支持させるアーム15と、可動鉄心18を電磁力にて吸引動作させる駆動コイル20,21,22とから構成される。回転軸16は固定鉄心14に支承されている。
2 and 3 are a front view and a side view of the
可動鉄心18は径方向に配置された駆動コイル20,21,22を貫通し、駆動コイル20,21,22の付勢方向により往復回動運動する。駆動コイルの一部ないしは全部の巻回面が、回転軸を含むようにすると、駆動コイル20,21,22が付勢されたときの磁束経路は、可動鉄心18の位置では可動鉄心18の略接線方向(円周方向の接線方向)になり、より高い駆動トルクが得られる。固定ヨーク13を有する固定鉄心14には、アーム15が総ストローク(可動鉄心18の回動範囲)で移動可能なように、切欠き部17を備えている。つまり、固定鉄心14の内側に配置され、リング状部材12と連結される可動鉄心18は、固定鉄心14の一部を切り欠いた切欠き部17で固定鉄心14の外側に至るアーム15を介して回転軸16に支持されるようにしている。固定鉄心14の切欠き部17の円周方向の角度幅θ14は、可動鉄心18の円周方向の回動角度幅以上である。なお、固定鉄心14の内側に配置され、リング状部材12と連結される可動鉄心18は、固定鉄心14の一部を切り欠いた切欠き部17で固定鉄心14の内側に至るアーム15を介して回転軸16に支持されるようにしてもよい。つまりアーム15が固定鉄心14の内側で回転軸16に至り回転軸16に支持されるようにしてもよい。
The
次に、実施の形態1による電磁アクチュエータ10の断面図である図4〜図7を用いて動作を説明する。図4は、可動鉄心18が中立位置(第1安定点)にある場合を示した断面図である。駆動コイル20に通電すると、図4に矢印にて示すように、磁束は固定鉄心14ないしは固定ヨークから可動鉄心18を通り、可動鉄心18は駆動コイル20の方向に(反時計回りに)吸引駆動される。可動鉄心18は、所定の角度ストローク動作後、可動鉄心18の段差18cが固定鉄心14から張り出した磁極に当たって停止し、駆動コイル20への通電を終了する。可動鉄心18が回動動作すると、これと連結したリング材12およびアーム15が回動することにより、駆動される回転軸16へトルクないしは回動運動が伝達される。動作完了後を図5に示す(第2安定点)。従って、回転軸16と連結した可動接触子103(図1)は、回動運動して閉極し、固定接触子102と電気的に接続される。
Next, operation | movement is demonstrated using FIGS. 4-7 which are sectional drawings of the
逆に開極動作させる場合は、駆動コイル21a、21bに通電することで、図5に矢印
にて示したような磁束が発生し、可動鉄心18は駆動コイル21に向かって(時計回りに)吸引駆動される。可動鉄心が中立点を過ぎようとすると、逆方向に吸引電磁トルクが作用するので、最終的には、図4に示す中立位置で停止し、駆動コイル21a、21bの通
電を終了する。したがって、回転軸16と連結した可動接触子103は、図1に示すように、固定接触子102と断路される。
On the contrary, when the opening operation is performed, by energizing the drive coils 21a and 21b, a magnetic flux as indicated by an arrow in FIG. 5 is generated, and the
図6は、中立位置にて停止することを説明する部分拡大断面図である。可動鉄心18には段差18a〜18dが設けられ、固定鉄心14に中立位置(第1安定点)のために磁極14a〜14dが設けられている。可動鉄心の円周方向断面績は中央部で大きく両先端部で小さくなっており、中央部と先端部間に段差18a〜18dが設けられている。ここで、可動鉄心の中央部を回転軸より見込む角度θ2は、回転軸16から固定鉄心14の磁極14a〜14dを見込む角度θ1と概ね等しいか、少し小さくなるように構成される。
FIG. 6 is a partially enlarged cross-sectional view for explaining stopping at the neutral position. The
例えば、可動鉄心18が僅かに左にずれている場合、図6に矢印にて示すような磁束が発生する。左側の磁束はほぼ半径方向に向いているため、これによる電磁力はトルクに寄与しない。しかし、右側の磁束は、接線方向成分を有するため、これによる電磁吸引力はトルクに寄与し、可動鉄心18を時計方向に移動させ、可動鉄心18のずれが修正されて中立位置で停止する。中立位置は固定鉄心14の磁極14a〜14dの円周方向の中心と可動鉄心8の中央部の円周方向の中心が一致する位置である。
For example, when the
つまり、可動鉄心18には時計方向のトルクが発生することがわかる。さらに、中立位置からのずれ角が大きくなると、磁束の接線方向成分が大きくなるため。時計方向の電磁トルクは大きくなる。構造的対称性により、可動鉄心18の位置が右へずれたときは、反時計方向の電磁トルクが発生する。また、可動鉄心18が中立位置にあるときは、左右の磁束がほぼ径方向成分のみである(あるいは、その接線成分が打ち消しあっている)ため、トルクは発生しない。つまり、中立位置を中心として復元トルクが作用していることがわかる。
That is, it can be seen that clockwise torque is generated in the
図4に示す中立位置で、駆動コイル22に通電することにより、可動鉄心18が吸引され、図7に示す位置(第3安定点)にくることは、構造上の対称性から明らかである。また、図7に示す状態から駆動コイル21に通電することにより、可動鉄心18を図4に示すような中立位置へ駆動させることも、前述と同様である。
It is clear from the structural symmetry that the
従って、このように構成によれば、駆動コイル20,21,22を回転軸16から見て略半径方向に配置しているため、可動鉄心18の位置で磁束が接線方向に発生することにより、可動鉄心18に強い電磁力を発生させることができる。これは電源を小型化したり、電磁石自体を小型化できるメリットがある。また、リング材12を介して回転軸16と接続することにより、回動駆動トルクを外部に伝達することができ、電力用開閉器や電力用開閉装置を操作することができる。
Therefore, according to such a configuration, since the drive coils 20, 21, and 22 are arranged in the substantially radial direction when viewed from the
ここでは、開極動作用コイル21を2つの駆動コイル21a,21bにて構成したが、図8の実施の形態1による電磁アクチュエータ10の断面図に示すように、1つの駆動コイル21にて構成することも可能である。具体的な動作は、前述と同様につき省略する。また、固定ヨークがなくても、あるいは非磁性体であっても、同様の機能を発生させることができることは明らかである。実施の形態1では、3安定位置について示したが、固定鉄心14形状を変更することで、容易に双安定型電磁アクチュエータとすることができる。
Here, the
また、実施の形態1では、固定鉄心14の内側に配置され、リング状部材12と連結される可動鉄心18は、固定鉄心14の一部を切り欠いた切欠き部17で固定鉄心14の外側に至るアーム15を介して回転軸16に支持されるように構成した。可動鉄心と回転軸を直接接続すると、接続部とコイルとが回動時に衝突するので、長いストロークを確保するのが困難であるが、前述のように構成することにより、可動鉄心の回動(ストローク)に対して駆動コイルとアームが衝突しないので、より長い回動(ストローク)を確保できる。この電磁アクチュエータは開閉機器の接点の開閉を操作するために利用することができ、この開閉機器を搭載することで電力用開閉装置として利用することができる。このときの電力用開閉装置は実施の形態で述べた電磁アクチュエータの有する特徴、効果をそのまま具備することとなる。
Further, in the first embodiment, the
実施の形態2.
図9は実施の形態2による電磁アクチュエータを示す断面図である。実施の形態1と同一又は相当部分には同一符号を付してその説明を省略する。実施の形態2では、開極駆動
コイル21a,21bは接線方向(円周方向の接線方向)に配置される。駆動コイル21aと21bを逆向きに励磁することで、両駆動コイルで発生する磁束の向きは互いに逆向きとなるため、図9に矢印にて示すように、接線方向の磁束が形成される。従って、実施の形態1と同様の効果が得られることがわかる。また、図10に示すように、2組(21a,21b),(21c,21d)に分割しても同様の効果が得られるのは明らかである。また、中立位置での停止性を考慮すれば、図11に示すように、固定鉄心14の磁極を可動鉄心18の中央部を見込む角と略同一に構成してもよいことは明らかである。この電磁アクチュエータは開閉機器の接点の開閉を操作するために利用することができ、この開閉機器を搭載することで電力用開閉装置として利用することができる。このときの電力用開閉装置は実施の形態で述べた電磁アクチュエータの有する特徴、効果をそのまま具備することとなる。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the electromagnetic actuator according to the second embodiment. The same or corresponding parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. In the second embodiment, the
実施の形態3.
実施の形態1ないしは実施の形態2においては、電流を通電しない場合の位置保持の機能を有していない。ラッチやバネなどの機構によって実現することは可能であるが、永久磁石を用いることでも可能である。たとえば、図12は、固定鉄心14の磁極に永久磁石23を取り付けた例を示す。図12に示すように、各永久磁石23は径方向に着磁されているので、ストローク端の位置では可動鉄心18が固定鉄心14と吸着するので、駆動コイル21に通電しなくても吸着保持される。また、図13に示すように、中立位置においても、永久磁石の着磁方向を逆転しておけば、保持トルクを得ることができる。
The first and second embodiments do not have a function of maintaining the position when no current is supplied. It can be realized by a mechanism such as a latch or a spring, but can also be realized by using a permanent magnet. For example, FIG. 12 shows an example in which a
このようにすれば、外部からの機械的衝撃や振動を受けても、電磁アクチュエータ、または、この電磁アクチュエータにより操作できるようにした開閉機器を搭載した電力用開閉装置は同じ状態が保持される利点がある。
また、図14に示すように、可動鉄心18に永久磁石23を取り付けても同じ効果があることはいうまでもない。また、電磁アクチュエータ10出力とタンク100の間、あるいは、電磁アクチュエータ10の可動鉄心18と固定鉄心14の間、あるいは、アーム15と固定鉄心14の間にバネ(コイルバネやひねりバネ)を設けても良い。バネエネルギーにて可動接触子103の動作速度(開極速度ないしは閉極速度)を高めることができ、また、永久磁石の吸着保持力をバネ力以上に設計することで、静止状態保持が可能となる。この電磁アクチュエータは開閉機器の接点の開閉を操作するために利用することができ、この開閉機器を搭載することで電力用開閉装置として利用することができる。このときの電力用開閉装置は実施の形態で述べた電磁アクチュエータの有する特徴をそのまま具備することとなる。
In this way, the power switchgear equipped with the electromagnetic actuator or the switchgear that can be operated by the electromagnetic actuator is maintained in the same state even when subjected to mechanical shock or vibration from the outside. There is.
Further, as shown in FIG. 14, it goes without saying that the same effect can be obtained even if a
10 電磁アクチュエータ 12 リング状部材
13 固定ヨーク 14 固定鉄心
15 アーム 16 回転軸
17 切欠き部 18 可動鉄心
20 駆動コイル 21 駆動コイル
22 駆動コイル 23 永久磁石
100 タンク 101 固定接触子
102 固定接触子 103 可動接触子
104 可動ロッド
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記固定鉄心の内側に配置され、リング状部材と連結され、前記回転軸に支持されて前記回転軸を中心に回動し得る可動鉄心と、
前記可動鉄心を駆動する磁束を発生させる少なくとも1つ以上の駆動コイルとを備え、
前記駆動コイルは前記可動鉄心の位置で円周の略接線方向の向きを有する磁束を発生させるように前記固定鉄心に配置され、
前記駆動コイルを付勢することにより、前記可動鉄心を前記駆動コイルの内側で回動させて変位させることを特徴とする電磁アクチュエータ。 A fixed iron core having a plurality of magnetic poles on the inside, a rotating shaft supported by the fixed iron core,
A movable iron core disposed inside the fixed iron core, connected to a ring-shaped member, supported by the rotary shaft, and rotatable about the rotary shaft;
And at least one drive coil for generating magnetic flux for driving the movable iron core,
The drive coil is disposed on the fixed iron core so as to generate a magnetic flux having a substantially tangential direction of a circumference at a position of the movable iron core;
An electromagnetic actuator characterized in that the movable iron core is rotated and displaced inside the drive coil by urging the drive coil.
前記駆動コイルを付勢することにより、前記可動鉄心を前記駆動コイルの内側で回動させて変位させることを特徴とする請求項1記載の電磁アクチュエータ。 The drive coil is arranged so that the movable iron core penetrates the drive coil,
The electromagnetic actuator according to claim 1, wherein the movable iron core is rotated and displaced inside the drive coil by energizing the drive coil.
前記駆動コイルを付勢することにより、前記可動鉄心を前記駆動コイルの内側で回動させて変位させることを特徴とする請求項1記載の電磁アクチュエータ。 The drive coil is a coil opposed in the radial direction across the movable core, and generates magnetic fluxes in opposite directions so as to generate a magnetic flux having a substantially tangential direction of the circumference at the position of the movable core. It is what
The electromagnetic actuator according to claim 1, wherein the movable iron core is rotated and displaced inside the drive coil by energizing the drive coil.
るように構成した請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の電磁アクチュエータ。 The electromagnetic actuator according to any one of claims 1 to 10, wherein a spring force is applied to the movable iron core to assist the rotation of the movable iron core with respect to the fixed iron core.
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