JP2010135267A - 電磁操作器 - Google Patents

Abstract

【課題】引外しコイルの励磁により迅速に引外し動作を完了する。
【解決手段】シャフトの外周部に固定されたプランジャ１０と、プランジャを起磁力により投入方向に移動させる投入コイル６と、プランジャを起磁力により遮断方向に移動させる引外しコイル７と、プランジャに対して遮断方向に反発力を有する引外しバネ１１と、プランジャの投入方向に配置され、且つシャフトの外周部に配置される呼び鉄２と、投入及び引きはずしコイルの外周面を覆うヨーク９と、ヨーク及び呼び鉄の間に配置され、投入動作完了時にプランジャ、ヨーク、呼び鉄を通る磁束経路を形成する永久磁石５と、投入コイルと引外しコイルとの間に配置されるリング状磁性体であって、投入コイルの励磁開始時に発生する磁束密度が、プランジャ内で発生する磁束密度より高くなる位置に配置されるリング状磁性体３と、を有する電磁操作器を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、開閉装置に適用可能な電磁操作器に関する。

遮断器、断路器、開閉器等の開閉装置には、遮断又は投入動作をするための操作器が備え付けられており、その操作器には、電動引外しバネ、油圧式及び空気式などの操作機構が適用される。

これらの操作器は、部品数が多く、リンク機構が複雑になるために製造コストが高い。そのため、リンク機構を簡素化した操作器として、例えば、投入動作によって蓄積した遮断引外しバネの反発力を、励磁コイルを貫通するプランジャ（可動鉄芯）により開放して接点を解離する電磁操作器が知られている。

また、図９に示すように、所定の絶縁性能を満たすために開路動作用に大型のコイルを用いる電磁操作器が知られている（下記、特許文献１）。この電磁操作器は、開路引外しバネ１０１と、引外しコイル１０２、投入コイル１０３、プランジャ１０４、永久磁石１０５、及びコア１０７を有し、これらの機器はヨーク１０６及び底面版１０８に囲まれる。電磁操作器は、開路時には、開路引外しバネ１０１と引外しコイル１０２でプランジャ１０４を移動させる。投入コイル１０３が励磁すると、開路引外しバネ１０１の反発力より大きい投入コイル１０３及び永久磁石１０５の起磁力により、プランジャ１０４が移動し、閉路状態となり、永久磁石１０５で閉路状態を維持する。

特開２００５−７９００９号公報

従来提案されている電磁操作器は、投入コイル１０３が励磁すると、プランジャ１０４、底面版１０８、ヨーク１０６、永久磁石１０５、コア１０７を通る磁束経路が形成される。投入動作開始時は、開路引外しバネ１０１の反発力が小さいため、小さな力でプランジャ１０４が移動する。そのため、少ない磁束が磁束経路に流れただけでプランジャ１０４は移動を開始する。そして、プランジャ１０４の移動は、投入コイル１０３の内部を通過するため、投入コイル１０３に励磁する電流と反対向きの誘導電流を生じる誘導起電力が生じ、投入コイル１０３の電流値が減少し、磁束経路を通過する磁束も減少する。そのため、電磁誘導が生じても投入動作を完結させる大きな起磁力を得るために、コイルの大きさ、定格時のコイル電流値、プランジャ１０４及びコア１０７を大きくする必要があるという問題がある。

本発明は、引外しコイルの励磁により迅速に引外し動作を完了することを目的とする。

上記課題を解決するために、電磁操作器が提供される。
上記電磁操作器は、下記の（１）〜（６）に記載のとおりである。

（１）開閉装置を遮断又は投入するように移動するシャフトと、
上記シャフトの外周に固定されたプランジャと、
上記シャフトの外周に配置され、且つ投入動作完了時に上記プランジャと接触する呼び鉄と、
投入及び引外しコイルの外周面を覆うヨークと、
上記ヨーク及び呼び鉄の間に配置され、投入動作完了時に上記プランジャ、ヨーク、呼び鉄を通る磁束経路を形成する永久磁石と、
上記プランジャを起磁力により投入方向に移動させる投入コイルと、
上記プランジャに対して遮断方向に反発力を有する引外しバネと、
起磁力により前記永久磁石の磁束経路を変更させることで、前記引外しバネの復元力による引外し動作を開始させる引外しコイルと、
上記投入コイルと上記引外しコイルとの間に配置されるリング状磁性体であって、上記投入コイルの励磁開始時に発生する磁束密度が、上記プランジャ内で発生する磁束密度より高くなる位置に配置されるリング状磁性体と、
を有する電磁操作器。
（２）上記ヨークは、上記投入コイル及び上記引外しコイルを覆う第１のヨーク部と、該第１のヨーク部と一体形成され、引外し時に上記プランジャの引外し側端部と密着する第２のヨーク部と、有する（１）に記載の電磁操作器。
（３）上記投入コイルが励磁するとき、上記第１のヨーク部、及び上記第２のヨーク部を通る磁束経路が生成する（２）に記載の電磁操作器。
（４）上記シャフトの端部に取り付けられ、上記シャフトを手動で移動させることにより上記開閉装置の遮断又は投入を行う手動機構部を有する（１）〜（３）のいずれかに記載の電磁操作器。
（５）上記手動機構部は、上記シャフトに長穴または切り欠きを設け、該長穴または切り欠きを介して連結されたリンク機構によって開閉装置に連結される（４）に記載の電磁操作器。
（６）上記手動機構部は、引外し方向に回転して上記シャフト下部に対して引外し方向に力を加える機構を有する（５）に記載の電磁操作器。

本発明は、引外しコイルの励磁により迅速に引外し動作を完了することが出来る。

本発明の実施形態について図を用いて説明する。
図１は、電磁操作器の断面図の一例を示す。電磁操作器２０は、シャフト１、呼び鉄２、リング状磁性体３、永久磁石５、投入コイル６、引外しコイル７、ボビン８、ヨーク（固定鉄芯）９、プランジャ１０、及び引外しバネ１１を有する。

シャフト１は、ボビン８の中心軸に配置され、その端部には、引外しバネ１１が連結される。引外しバネ１１の反対側のシャフト１の端部には、シャフト１の動作を、開閉装置の遮断又は投入動作に変換するための図示しないリンク機構が取り付けられる。呼び鉄２は、シャフト１の外周に配置され、投入コイル６、引外しコイル７、及び永久磁石５によって生成する磁束を通す経路の一部となる。リング状磁性体３は、投入コイル６と引外しコイル７の中間に配置される。ボビン８は、非磁性体の材料から構成され、投入コイル６、引外しコイル７及びリング状磁性体３を収納するケースである。ヨーク９は、呼び鉄２と、投入コイル６及び引外しコイル７の上下面及び外周面を覆うように設けられる。このヨーク９は、投入コイル６及び引外しコイル７を覆う第１のヨーク部９ａと、遮断時にプランジャ１０のストッパとして機能する第２のヨーク部９ｂとに分けられる。第２のヨーク部９ｂは、磁気漏れ防止の蓋として作用し、且つシャフト１のガイドとしても作用する。

プランジャ１０は、シャフト１に固定されており、リング状磁性体３と、ボビン８の中心軸上に沿って磁力によって移動する。引外しバネ１１は、プランジャ１０が呼び鉄２に対して引外される向きに反発力が生じるように設置される。

なお、リング状磁性体３は、非磁性体であるボビン８を介して、プランジャ１０との間にギャップがある。電磁操作器２０の製造では、リング状磁性体３をボビン８に配置し、リング状磁性体３の横に引外しコイル７と投入コイル６を取り付ける工程が行われる。そのため、リング状磁性体３は、ヨーク９と別個の部品にしたほうが好ましいが、ヨーク９の一部として一体成型されても良い。

図２は、電磁操作器における投入完了時又は投入開始時の磁束を示す図である。図２の左側は、投入完了時における投入コイル非励磁状態の磁束を示し、図２の右側は、投入開始時における投入コイル励磁状態の磁束を示す。

図示されるように、リング状磁性体３は、投入位置のプランジャ１０よりも呼び鉄２に近い距離に配置される。そのため、図２右側の投入開始時では、呼び鉄２、プランジャ１０、第１のヨーク部９ａ及び第２のヨーク部９ｂを通る磁束経路５３の磁束密度は低く、呼び鉄２、リング状磁性体３、第１のヨーク部９ａを通る磁束経路５２の磁束密度が高くなる。

図３は、リング状磁性体の配置位置に従って変わるプランジャの投入動作と時間との関係を示す図である。図３（ａ）は、電磁操作器２０ａによるプランジャ１０ａの投入動作と時間との関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は、電磁操作器２０ｂによるプランジャ１０ｂの投入動作と時間との関係を示すグラフである。図３（ａ）及び（ｂ）に示す電磁操作器２０ａ、２０ｂは、説明の簡略化のため、右側部分の断面のみを示すが、左側部分の断面も同じ構成を有する。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すグラフを作成するために使用した電磁操作器の仕様は以下の通りである。
電磁操作器 寸法：直径 ＩＤ１４８[ｍｍ]
プランジャの変位：１９［ｍｍ］
ヨーク 材質：Ｓ１５Ｃ
呼び鉄 材質：Ｓ１５Ｃ
投入コイル 仕様：電流値１１［Ａ］
シャフト材質：ＳＵＳ
ヨーク及び呼び鉄の材質は、磁気飽和を抑制するため、可能な限り炭素量を下げると共に、材料の入手性も考慮し低炭素鋼を用いた。また、シャフトは、磁束漏れを防ぐために、ＳＵＳ材を用いた。

図３（ａ）に示す電磁操作器２０ａでは、リング状磁性体３ａが、投入コイルの励磁開始時に発生する磁束密度が、プランジャ１０ａ内で発生する磁束密度より小さくなる位置に配置される。例えば、リング状磁性体３ａは、呼び鉄２ａとプランジャ１０ａとの距離より、呼び鉄２ａとの距離が長くなるように配置される。そのため、図３（ａ）の電磁操作器２０ａに示すように、投入コイル６ａの励磁により発生する磁束５６ａは、プランジャ１０ａを通過する。
一方、図３（ｂ）に示す電磁操作器２０ｂは、図１、２、及び後述する図４〜８に示す電磁操作器２０と同じ構成を有し、リング状磁性体３ａが、投入コイルの励磁開始時に発生する磁束密度が、プランジャ１０ａ内で発生する磁束密度より高くなる位置に配置される。例えば、リング状磁性体３ａは、呼び鉄２ａとプランジャ１０ａとの距離より、呼び鉄２ａとの距離が短くなるように配置される。そのため、図３（ｂ）の電磁操作器２０ｂに示すように、投入コイル６ｂの励磁により発生する磁束５６ｂは、リング状磁性体３ｂを通過する。

図３（ａ）に示す磁束５６ａは、プランジャ１０ａを通過するために、プランジャ１０ａと呼び鉄２ａとの間の磁力によって投入方向への推力が発生する。そのため、図３（ａ）のグラフのプランジャ移動開始時間ｔｓ１に示すように、投入コイル６ａの励磁後すぐにプランジャ１０ａの移動が開始される。プランジャ１０ａと呼び鉄２ａとの間に大きなギャップがあるため磁束５６ａが発生する磁力は小さいにもかかわらず、プランジャ１０ａの移動が投入コイル６ａの励磁後すぐに開始されるのは、引外し状態においては、引外しバネ１１ａの弾性力が小さいためである。プランジャ１０ａの移動と共に磁束５６ａによる磁力は大きくなるが、プランジャ１０ａが投入コイル６ａの内部に移動するため、投入コイル６ａ内部の磁束が増大する。そのため、投入コイル６ａの内部に電磁誘導により投入コイル６ａを励磁する電流と反対向きの誘導電流を生じる誘導起電力が発生し、図３（ａ）のグラフに示すように、プランジャ１０ａの移動に伴い投入コイル６ａの電流値は減少する。また、プランジャ１０ａの移動と共に引外しバネ１１ａの弾性力は増大する。このように、プランジャ１０ａは、大きくなる引外しバネ１１ａの弾性力に対して、投入コイル６ａによる減少する起磁力によって移動するため、プランジャ１０ａの投入動作時間は遅延する。

一方、図３（ｂ）に示す磁束５６ｂは、リング状磁性体３ｂを通過するために、磁束経路５２の磁束密度が増大する。投入コイル６ｂの励磁によりプランジャ１０ｂを通過する磁束は少ないため、プランジャ１０ｂと呼び鉄２ｂとの間の磁力による推力は小さい。磁束経路５２の磁束密度が高くなると、呼び鉄２ｂ及びリング状磁性体３ｂに溜まった磁束の影響で、プランジャ１０ｂに磁気分極が生じて、プランジャ１０ｂと呼び鉄２ｂとの間に磁力による投入方向の推力が発生する。このとき、磁束経路５２の磁束密度がプランジャ１０ｂを移動させるための十分な大きさになるまでに時間がかかるため、図３（ｂ）のプランジャ移動開始時間ｔｓ２に示すように、プランジャの移動開始は、図３（ａ）のｔｓ１と比べて長い。プランジャが移動開始すると、誘導起電力によって投入コイル６ｂの電流値は減少する。しかしながら、電磁操作器２０ｂの投入動作は、磁束経路５２に蓄積した大きな磁束の影響により移動するため、投入コイル６ｂによる起磁力低下の影響を受けることなくプランジャ１０ｂの投入動作を迅速に終了させることが出来る。試験の結果、図３（ｂ）のグラフに示すように、３０ｍｓ経過後にプランジャは引外し動作を開始し、約７０ｍｓ経過後に投入動作が終了する。

図３（ａ）に示す投入動作完了時間を、図３（ｂ）に示す投入動作完了時間と同等にするためには、投入コイル６ａの大型化、コイル電流値の上昇、プランジャ１０ａの大型化などの対応が必要になる。例えば、図３（ａ）に示す電磁操作器２０ａを、図３（ｂ）に示す投入動作時間と同等にするためには、投入コイル６ａに流れるコイル電流値を、投入コイル６ｂに流れるコイル電流値の３〜４倍に上げる必要がある。
一方、上述したように電磁操作器２０ｂは、磁束経路５２の磁束密度を所定の磁束密度まで上昇させることで、プランジャ１０ｂの動き出し直後から大きな磁力を得られるため、電磁操作器２０ａと比して、投入コイル６ｂの小型化、コイル電流値を下げ、プランジャ１０ｂの小型化を可能にする。

図４は、電磁操作器における引外し開始時又は引外し完了時の磁束を示す図である。図４の左側は、引外し開始時における引外しコイル励磁状態の磁束を示し、図４の右側は、引外し完了時における引外しコイル励磁状態の磁束を示す。

図４左側に示す引外し開始時の電磁操作器２０では、引外しコイル７の励磁による起磁力の起磁力により、プランジャ１０、第１のヨーク部９ａ、及びリング状磁性体３を介した経路に、引外し開始時磁束５４が発生する。図２左側で示した電磁操作器投入完了時の永久磁石５の起磁力による磁束経路５１は、リング状磁性体３を介した磁束経路５５ａに変更される。この永久磁石の磁気回路は、エアギャップを介した回路となるため、磁気抵抗が大きい。そのため図４の磁束経路５５ａにおける永久磁石５の起磁力は、図２の磁束経路５１における永久磁石５の起磁力より小さく、投入位置保持の磁力が低下する。

このように、引外しコイル７の励磁により、引外しの磁力が発生し、同時に、永久磁石５による投入位置保持の磁力が低減することで、引外しコイル７による起磁力と、引外しバネ１１の反発力により、引外し動作が開始する。

図４右側に示す引外し終了時の電磁操作器２０では、引外しコイル７の励磁による起磁力、及び、永久磁石５の起磁力により、呼び鉄２、プランジャ１０、第１のヨーク部９ａ、及びリング状磁性体３を介した経路に、磁束経路５５ｂが発生する。この磁束経路５５ｂにある呼び鉄２とプランジャ１０との間の大きなエアギャップにより、永久磁石５の起磁力は、引外しバネ１１の反発力と比較して十分に小さいため、引外し位置が引外しバネ１１によって維持される。

また、第２のヨーク部９ｂの下部をプランジャ１０のストッパとすることで、引外し動作時に高速で移動するプランジャ１０の可動体の慣性重量を確実に停止することができ、シャフト１に連結される遮断器４２が嫌うオーバストロークが防止できるとともに、遮断部と手動操作器３０を連結するリンク機構３４にかかる負荷を低減できる。

図５を用いて、電磁操作器を手動するための手動操作器の一例を説明する。電磁操作器２０のシャフト１には、手動操作器３０が取り付けられる。手動操作器３０は、投入レバー３１、引外しレバー３２、引外し用ロッド３３、リンク機構３４を有する。投入レバー３１、及びリンク機構３４は、シャフト１に取り付けられる。プランジャ１０と連結されたシャフト１には、長穴切り欠きを設け、手動投入操作時にシャフト１と投入レバー３１が連動する機構となる。３５は可動軸であり、３６は固定軸である。なお、投入レバー３１は、使用時には図８に示す投入用ハンドル３７を投入レバー３１の尖端に取り付けて操作する。

図６を用いて、引外し用ロッドの一例を説明する。引外し用ロッド３３は、シャフト１下部に、投入位置のシャフト１下部と適度な隙間を空けて、回転可能で面取り加工等を行ったものである。引外し用ロッド３３は、シャフト１に対して直角に配置され、引外しレバー３２を操作方向３８ａへ引くことで、引外し用ロッド３３は、操作方向３８ａに回転を行うことが出来る。

図５に戻ると、電磁操作器２０は、シャフト１の可動軸３５を介して、リンク機構３４と連結される。リンク機構３４は、絶縁フレーム３９上に設けられた固定軸３６を支点として、遮断器４２と連結したシャフト４１と接圧ばね４５を介して可動軸３５にて連結される。遮断器４２は、接触子４３が取り付けられる。なお、本例においては、電磁操作器２０は真空遮断器と連結することとしたが、電磁操作器が連結される機器は他の種類の開閉装置であっても良い。

図７を用いて、手動操作器による電磁操作器の引外し操作の一例を説明する。図７（ａ）は、引外し操作前の電磁操作器の状態を示し、図７（ｂ）引外し操作後の電磁操作器の状態を示す。遮断器４２が閉路状態に於いて、引外しレバー３２を操作方向３８ｂへ引くことで、引外し用ロッド３３が回転し、シャフト１の下部面を押し上げ、連動してプランジャ１０が呼び鉄２から引き外される。投入位置を保持していた永久磁石５の図２に示す磁束経路５１において、プランジャ１０と呼び鉄２との間にギャップが形成されることにより、急激な磁気抵抗の増加で、永久磁石５による投入保持力は、引外しばねｌｌの反発力と接圧ばね４５の反発力にまけ、遮断器４２は接圧ばね４５が規定長に伸びた時点で高速に開離する。

図８を用いて、手動操作器による電磁操作器の投入操作の一例を説明する。図８（ａ）は、投入操作前の電磁操作器の状態を示し、図８（ｂ）は、投入操作後の電磁操作器の状態を示す。遮断器４２が閉路状態に於いて、投入用ハンドル３７を投入レバー３１に差し込み、プランジャ１０が呼び鉄２に接するまで操作方向３８ｃの下方向に押し下げる。プランジャ１０と呼び鉄２が接することで、永久磁石５による投入状態保持力が発生し、投入用ハンドル３７を元の位置へ戻しても、遮断器４２は閉路状態を保つ。
手動閉路操作時は、投入用ハンドル３７に引外しばね１１と接圧ばね４５の反発力が適度に伝わり、閉路動作同様に自在のスピードで手動閉路動作を行える。

また、投入用ハンドル３７及び投入レバー３１は、引外し操作にも利用することが出来る。例えば、接触子４３が既に高圧開路と絶縁されており、且つメンテナンスのために電磁操作器の引外し動作を確認する場合は、高速な動作は不要となる。そのような場合、投入レバー３１に投入用ハンドル３７を取り付けてシャフト１を操作方向３８ｃに押し下げた状態で、引外しレバー３２を操作方向３８ｂに引くことで、シャフト１は投入用ハンドル３７の押し下げる力の強弱に応じて上昇する。このように、投入用ハンドル３７を操作することで、引外し速度および位置を自由にコントロールしながら、引外し操作を行うことができる。

このように、手動操作器３０は、各部の機構部を簡素化し、軸受等の摩耗、注油、個体潤滑材料等を必要とする摺動部分を最小限としながら、手動投入機構と手動引外し機構を構成し、この両機構の組合せ操作により、手動でスロー投入又は引外し動作を容易に行える構造を構成する。
また、荷重、摩擦でエネルギーロスとなる摺動、軸受け、及びリンク部の点数削減とともに、エネルギーロスの少ないスムーズな動きの電磁駆動部を構成することで、引外しばねも定荷重のばねを使用でき、より手動操作時の荷重が最小ですみ、手動での操作が容易となるとともに、リンクや軸受け部への荷重等の負担が減り、より効率及びバランスの良い電磁操作器を提供できる。

電磁操作器の一例を示す断面図である。 電磁操作器における投入完了時又は投入開始時の磁束を示す図である。 リング状磁性体の配置位置に従って変わるプランジャの投入動作と時間との関係を示す図である。 電磁操作器における引外し開始時又は引外し完了時の磁束を示す図である。 電磁操作器のための手動操作器の一例を示す図である。 引外し用ロッドの一例を示す図である。 手動操作器による電磁操作器の引外し操作の一例を示す図である。 手動操作器による電磁操作器の投入操作の一例を示す図である。 従来の電磁操作器を示す図である。

符号の説明

１、４１ シャフト
２、２ａ、２ｂ 呼び鉄
３、３ａ、３ｂ リング状磁性体
５ 永久磁石
６、６ａ、６ｂ 投入コイル
７ コイル
８ ボビン
９ ヨーク
９ａ 第１のヨーク部
９ｂ 第２のヨーク部
１０、１０ａ、１０ｂ プランジャ
１１、１１ａ バネ
２０、２０ａ、２０ｂ 電磁操作器
３０ 手動操作器
３１ 投入レバー
３２ レバー
３３ 引外し用ロッド
３４ リンク機構
３５ 可動軸
３６ 固定軸
３７ 投入用ハンドル
３８ａ、３８ｂ、３８ｃ 操作方向
３９ 絶縁フレーム
４２ 遮断器
４３ 接触子

Claims (6)

1. 開閉装置を遮断又は投入するように移動するシャフトと、
   前記シャフトの外周に固定されたプランジャと、
   前記シャフトの外周に配置され、且つ投入動作完了時に前記プランジャと接触する呼び鉄と、
   投入及び引外しコイルの外周面を覆うヨークと、
   前記ヨーク及び呼び鉄の間に配置され、投入動作完了時に前記プランジャ、ヨーク、呼び鉄を通る磁束経路を形成する永久磁石と、
   前記プランジャを起磁力により投入方向に移動させる前記投入コイルと、
   前記プランジャに対して遮断方向に復元力を有する引外しバネと、
   起磁力により前記永久磁石の磁束経路を変更させることで、前記引外しバネの復元力による引外し動作を開始させる前記引外しコイルと、
   前記投入コイルと前記引外しコイルとの間に配置されるリング状磁性体であって、前記投入コイルの励磁開始時に発生する磁束密度が、前記プランジャ内で発生する磁束密度より高くなる位置に配置されるリング状磁性体と、
   を有する電磁操作器。
2. 前記ヨークは、前記投入コイル及び前記引外しコイルを覆う第１のヨーク部と、該第１のヨーク部と一体形成され、引外し時に前記プランジャの引外し側端部と密着する第２のヨーク部と、有する請求項１に記載の電磁操作器。
3. 前記投入コイルが励磁するとき、前記第１のヨーク部、及び前記第２のヨーク部を通る磁束経路が生成する請求項２に記載の電磁操作器。
4. 前記シャフトの端部に取り付けられ、前記シャフトを手動で移動させることにより前記開閉装置の遮断又は投入を行う手動機構部を有する請求項１〜３のいずれかに記載の電磁操作器。
5. 前記手動機構部は、前記シャフトに長穴または切り欠きを設け、該長穴または切り欠きを介して連結されたリンク機構によって開閉装置に連結される請求項４に記載の電磁操作器。
6. 前記手動機構部は、引外し方向に回転して前記シャフト下部に対して引外し方向に力を加える機構を有する請求項５に記載の電磁操作器。

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