JP2010262840A

JP2010262840A - 電磁アクチュエータおよびこれを用いた電磁操作式の開閉装置およびその制御方法

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Publication number: JP2010262840A
Application number: JP2009113160A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Tsukima; 満月間; Taigen Kin; 太▲げん▼ 金
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-05-08
Also published as: JP5295858B2

Abstract

【課題】バネで付勢された電磁アクチュエータおよびこの電磁アクチュエータを搭載した電磁操作式の開閉装置において、効率よく開閉動作の速度を変化させること目的とする。
【解決手段】電磁アクチュエータ３は、固定子３１と、固定子３１の内空間に往復運動可能な状態で配置された可動子３２と、可動子３２を固定子３１から離間する方向へ付勢する開放バネ３３と、固定子３１の内空間に可動子３２の移動方向に沿って複数配設され可動子３２を駆動させるための複数の駆動コイル３４と、各駆動コイル３４に励磁電流を供給する駆動回路７と、可動子３２を固定子３１側で吸着保持する永久磁石３５とを備えている。そして各駆動コイル３４の励磁方向および励磁する駆動コイル３４を選択することで、可動子３２の移動方向および移動速度を変える。
【選択図】図１

Description

この発明は、電磁アクチュエータと、この電磁アクチュエータを搭載した遮断器、開閉器などの開閉装置と、その制御方法に関するものである。

近年、遮断器や開閉器等の開閉装置の操作機構として、現行の油圧操作機構やバネ操作機構に代わって、動作制御性に優れる電磁アクチュエータを採用することが提案されており、電磁アクチュエータの例として、双安定タイプの電磁アクチュエータの構造が示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、双安定タイプの電磁アクチュエータにおいて、２つの駆動コイルをタイミングを変えて励磁することにより開閉動作の応答性や速度を変化させている（例えば、特許文献２参照）。

ＥＰ０７２１６５０Ｂ１号公報（図１等）ＧＢ２２９９８９６Ａ号公報（図３等）

一般に遮断器等の遮断性能は接点の開極速度に依存するため、遮断器等の操作機構には必要な遮断性能を満足するような操作速度が要求される。そして、遮断に必要な開極速度は、遮断器等が接続される主回路の状態や条件（回路インピーダンスや回路電圧などの電気的条件）によって変化する。しかしながら、現行の操作機構は必要とされる最も速い開極速度に合わせて設計されているものが一般的であり、その場合高速開極が必要でない通常の開閉動作においても過剰な速度で動作することになる。開閉動作が速いと、遮断器等やその操作機構の構造部材へ繰り返し荷重が印加され、疲労による構造部材の強度の低下から遮断器等の機械的寿命（開閉回数）の低下が生じるという問題がある。
特に、特別高圧やそれ以上の電圧階級の遮断器等においては、短絡事故等の大電流遮断等の重故障に備えて開極速度により高速性が要求される。しかし、重故障の発生頻度は小さく、高速開極の必要がない軽故障や通常開閉による通常負荷電流開閉や無負荷開閉がほとんどである。従って、必要とされる最も速い開極速度に合わせて遮断性能を設計することは非常に非効率である。
ところで、特別高圧等の遮断器等では、開放状態での耐電圧性能を確保するため、長い接点ストロークが必要である。そして、接点ストロークが長い遮断器で高速開極を実現するため、操作機構としての電磁アクチュエータに開放バネを使用することが一般的である。このように開放バネを使用した電磁アクチュエータにおいて開極速度を選択できれば、この電磁アクチュエータやこれを使用した遮断器等への機械的ストレスを軽減でき、寿命延長が期待できる。
なお、特許文献２には、双安定タイプの電磁アクチュエータにおいて開閉動作の応答性や速度を変化させることが記載されているが、バネで付勢された構成ではないため、特許文献２と同様の構成ではバネで付勢された電磁アクチュエータの開閉速度を変えることはできない。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、バネで付勢された電磁アクチュエータおよびこの電磁アクチュエータを搭載した電磁操作式の開閉装置において、効率よく開閉動作の速度を変化させること目的とする。

この発明に係る電磁アクチュエータは、固定子と、固定子の内空間に往復運動可能な状態で配置された可動子と、可動子を固定子から離間する方向へ付勢する開放バネと、固定子の内空間に可動子の移動方向に沿って複数配設され可動子を駆動させるための複数の駆動コイルと、各駆動コイルに励磁電流を供給する駆動回路と、可動子を固定子側で吸着保持する永久磁石とを備えている。そして各駆動コイルの励磁方向および励磁する駆動コイルを選択することで、可動子の移動方向および移動速度を変えるものである。

また、この発明に係る電磁操作式の開閉装置は、固定接点と可動接点からなり接離可能な接点対と、操作ロッドを介して接点対の開閉操作を行う電磁アクチュエータと、操作ロッド上に配置され接点対と電磁アクチュエータとを絶縁する絶縁体と、操作ロッド上に配置され接点対に接触荷重を印加する接圧バネとを備え、主回路の開閉を行うためのものである。電磁アクチュエータは、固定子と、固定子の内空間に往復運動可能な状態で配置された可動子と、可動子を固定子から離間する方向へ付勢する開放バネと、固定子の内空間に可動子の移動方向に沿って複数配設され可動子を駆動させるための複数の駆動コイルと、各駆動コイルに励磁電流を供給する駆動回路と、可動子を固定子側で吸着保持する永久磁石とを備えている。そして各駆動コイルの励磁方向および励磁する駆動コイルを選択することで、可動子の移動方向および移動速度を変えるものである。

またこの発明に係る電磁操作式の開閉装置の制御方法は、固定接点と可動接点とからなり接離可能な接点対、固定子と、固定子の内空間に往復運動可能な状態で配置された可動子と、可動子を固定子から離間する方向へ付勢する開放バネと、固定子の内空間に可動子の移動方向に沿って複数配設され可動子を駆動させるための複数の駆動コイルと、各駆動コイルに励磁電流を供給する駆動回路と、可動子を固定子側で吸着保持する永久磁石とを備えた電磁アクチュエータ、および接点対と電磁アクチュエータとを接続する操作ロッド、からなり主回路の開閉を行うための電磁操作式の開閉装置の制御方法である。そして、各駆動コイルの励磁方向および励磁する駆動コイルを選択することで、可動子の移動方向および移動速度を変えるものである。

この発明の電磁アクチュエータは、可動子を固定子から離間する開放バネを備えたため長ストロークの場合にも高速開放動作を実現できるとともに、複数の駆動コイルを備えて駆動コイルの励磁方向および励磁する駆動コイルを選択して可動子の移動方向および移動速度を変えるため、状況に応じた開閉動作を行うことができ、電磁アクチュエータの機械的寿命を高めることができる。

また、この発明の電磁操作式の開閉装置は、可動子を固定子から離間する開放バネと複数の駆動コイルを備えた電磁アクチュエータを搭載し、電磁アクチュエータの開放バネにより長ストロークの場合にも高速開放動作を実現できるとともに、各駆動コイルの励磁方向および励磁する駆動コイルを選択して可動子の移動方向および移動速度を変えることにより開閉装置の接点対を開閉するため、状況に応じた開閉動作を行うことができ、開閉装置の機械的寿命を高めることができる。

また、この発明の電磁操作式の開閉装置の制御方法は、可動子を固定子から離間する開放バネと複数の駆動コイルを備えた電磁アクチュエータを搭載した開閉装置の制御方法であって、電磁アクチュエータの開放バネにより長ストロークの場合にも高速開放動作を実現できるとともに、各駆動コイルの励磁方向および励磁する駆動コイルを選択して可動子の移動方向および移動速度を変えることにより開閉装置の接点対を開閉するため、状況に応じた開閉動作を行うことができ、開閉装置の機械的寿命を高めることができる。

この発明の実施の形態１における遮断器の構成を説明するための模式図であり、開放状態の場合を示す。この発明の実施の形態１における遮断器の構成を説明するための模式図であり、投入状態の場合を示す。この発明の実施の形態１における駆動回路を示す回路図である。この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータの動作を説明する模式図である。この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータの動作を説明する模式図である。この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータの動作を説明する模式図である。この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータの動作を説明する模式図である。この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータの可動子に作用する力とストローク位置との関係を示すグラフである。この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータの動作を説明する模式図である。この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータの動作を説明する模式図である。この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータの可動子に作用する力とストローク位置との関係を示すグラフである。この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータの動作を説明する模式図である。この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータの動作を説明する模式図である。この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータの可動子に作用する力とストローク位置との関係を示すグラフである。この発明の実施の形態２における駆動回路を示す回路図である。この発明の実施の形態３における電磁アクチュエータの構成を説明するための模式図である。この発明の実施の形態３における駆動回路の一部を示す回路図である。この発明の実施の形態３における駆動回路の一部を示す回路図である。この発明の実施の形態３の別例における駆動回路を示す回路図である。

実施の形態１．
図１、図２はこの発明の実施の形態１における開閉装置としての遮断器の構成を説明するための模式図である。図１は遮断器の接点対が開極している開放状態の場合を示し、図２は遮断器の接点対が閉極している投入状態の場合を示している。
図１、２に示すように、遮断器１は、真空バルブ２と電磁アクチュエータ３とが絶縁体４および接圧バネ５を介して操作ロッド６により接続されて構成されている。
真空バルブ２は内部が真空に保たれた円筒状絶縁容器２１内に固定接点２２と可動接点２３からなる接離可能な接点対を備えている。

電磁アクチュエータ３は、磁性体からなる固定子３１と、固定子３１の内空間に往復運動可能な状態で配置された可動子３２とを有している。本実施の形態１では、固定子３１は上部３１Ａ（可動子３２開放方向側）、下部３１Ｂ（可動子３２投入方向側）、側部３１Ｃの部位により構成され、内部に断面略矩形状の空間を形成している。上部３１Ａには可動子３２が挿入可能な開口部３１Ｄが設けられ、下部３１Ｂには操作ロッド６が貫通する貫通孔３１Ｅが設けられている。上部３１Ａと可動子３２間には、可動子３２を固定子３１から離間する方向（図中上方）へ付勢する開放バネ３３が設けられている。固定子３１の内空間には可動子３２の移動方向に沿って複数配置され可動子３２を駆動させるための複数の駆動コイル３４が設けられている。本実施の形態１では、各駆動コイル３４は固定子３１の内空間の上部３１Ａ側と下部３１Ｂ側の２箇所に配置され、各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂの内部を操作ロッド６および可動子３２が貫通するように構成されている。上部３１Ａ側に配置された駆動コイルを第１の駆動コイル３４Ａとし、下部３１Ｂ側に配置された駆動コイルを第２の駆動コイル３４Ｂとする。第１および第２の駆動コイル３４Ａ、３４Ｂの間には固定子３１の側部３１Ｃから突出して形成される磁極部３５が配設されている。固定子３１の開口部３１Ｄには、可動子３２を下部３１Ｂ側に吸着保持する一対の永久磁石３６を備えている。

操作ロッド６は、一端が可動接点２３に、他端が可動子３２に固定され、真空バルブ２と電磁アクチュエータ３とを接続しており、可動子３２の往復運動に伴い可動接点２３および固定接点２２からなる接点対が開閉する。
操作ロッド６の真空バルブ２と電磁アクチュエータ３の間には、絶縁体４および、接圧バネ５が配設され、本実施の形態１では、真空バルブ２、絶縁体４、接圧バネ５、電磁アクチュエータ３の順で各構成が同軸上に固定されている。絶縁体４は真空バルブ２と電磁アクチュエータ３を絶縁するためのものであり、接圧バネ５は固定接点２２および可動接点２３からなる接点対に接触荷重を印加するためのものである。

駆動コイル３４Ａ、３４Ｂは励磁電流を供給して各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂを駆動する駆動回路７に接続されており、この駆動回路７を図３に示す。図に示すように、駆動回路７はコンデンサ７１Ａ、７１Ｂ、放電スイッチ７２Ａ、７２Ｂ、切替スイッチ７３ａ、７３ｂ、７４ａ、７４ｂ、７５ａ、７５ｂ、フリーホィーリングダイオード７６Ａ、７６Ｂ、抵抗７７、駆動コイル３４Ａ、３４Ｂを備えている。充電されたコンデンサ７１Ａ、７１Ｂから放電される電流が、放電スイッチ７２Ａ、７２Ｂおよび切替スイッチ７３ａ、７３ｂ、７４ａ、７４ｂ、７５ａ、７５ｂを介して各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂを励磁する。抵抗７７はコンデンサ７１Ｂから各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂに流れる電流を制限するための抵抗であり、コンデンサ７１Ｂのプラス端子側に接続されている。また、フリーホィーリングダイオード７６Ａ、７６Ｂにはそれぞれスイッチ７８Ａ、７８Ｂが直列に接続され、フリーホィーリングダイオード７６Ａ、７６Ｂへの電流を制御している。

本実施の形態１において、遮断器１の動作には、遮断器１が接続される主回路に重故障等が生じた場合の高速の開放動作、主回路に軽故障等が生じた場合や通常開閉の場合の低速の開放動作、開放動作により遮断された主回路を復帰するための投入動作がある。
遮断器１の動作のうち開放動作を高速で行うか低速で行うかは、駆動回路７に接続される制御回路８にて判断される（図１、２参照）。制御回路８は、遮断器１が接続された主回路（図示せず）の電流および電圧を測定する測定手段（図示せず）で得られた測定結果の出力に基づいて高速動作を行うか低速動作を行うかを判断し、駆動回路７に動作指令を送る。以下遮断器１の各動作について説明する。

まず、図４〜図９を参照して、主回路を復帰するための投入動作について説明する。投入動作は、開放状態（図１の状態）から投入状態（図２の状態）へ移行する動作である。図４〜図７、図９は電磁アクチュエータ３の動作を説明する図であり、図８は可動子３２に作用する力とストローク位置との関係を示す。

まず、図４を参照して開放状態での電磁アクチュエータ３の状態を説明する。開放状態で安定している時には、放電スイッチ７２Ａ、７２ＢがＯＦＦであり、駆動コイル３４Ａ、３４Ｂはいずれも励磁されていないため、駆動コイル３４Ａ、３４Ｂからは磁束は発生しない。永久磁石３６は磁束Φｐｍ（図中点線矢印で示す）を発生させるが、可動子３２と固定子３１の下部３１Ｂまでの距離が長く磁気空隙が大きいため磁束量は非常に少ない。このため、磁束Φｐｍにより可動子３２を固定子３１の下部３１Ｂ側へ吸引する吸引力はほとんどなく、可動子３２の移動に影響を及ぼさない程度である。従って、開放バネ３３の上方への付勢力Ｆｏにより、可動子３２の位置は開放位置で安定している。
駆動回路７の各スイッチは、前回開放動作終了後に次の投入動作に備えてセットされており、切替スイッチ７３ａ、７３ｂ、７４ａ、７４ｂおよびスイッチ７８ＡがＯＮ、切替スイッチ７５ａ、７５ｂおよびスイッチ７８ＢがＯＦＦの状態である。

上記のような開放状態において投入動作を開始する場合、動作指令により駆動回路７の放電スイッチ７２ＡがＯＮされる。これにより充電されたコンデンサ７１Ａから電流が放電されて、駆動コイル３４Ａ、３４Ｂが永久磁石３６と同方向（順方向）に励磁される。駆動コイル３４Ａ、３４Ｂの周囲には図５に示すような磁束Φｃ（図中実線矢印で示す）が発生し、この磁束Φｃは永久磁石３６による磁束Φｐｍ（図中点線矢印で示す）とともに可動子３２を下方へ吸引する。この時の両磁束Φｃ、Φｐｍにより可動子３２に作用する磁気吸引力をＦｅｍとすると、磁気吸引力Ｆｅｍが開放バネ３３の上方への付勢力Ｆｏより大きくなるため、可動子３２が固定子３１の下部３１Ｂ方向に移動しはじめる。
可動子３２の移動に伴い開放バネ３３の付勢力Ｆｏは大きくなり、可動子３２が所定の位置まで移動すると、さらに接圧バネ５による上方への付勢力Ｆｗも加わる。しかし、可動子３２の移動に伴い固定子３１の下部３１Ｂとの距離が縮まると磁気空隙が短縮するため、磁束ΦｃおよびΦｐｍによる磁束量が多くなり磁気吸引力Ｆｅｍも増大する。このため、後述する図８に示すように、開放位置から投入位置までのどの位置においても、磁気吸引力Ｆｅｍの方が、開放バネ３３および接圧バネ５の付勢力Ｆｏ、Ｆｗの合計よりも大きくなる。従って開放バネ３３および接圧バネ５が圧縮され、図６に示すように可動子３２は下部３１Ｂへ当接する位置（投入位置）まで移動する。
なお、永久磁石３６による磁束Φｐｍの磁束量は、各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂによる磁束Φｃの磁束量に比べ小さく、特に磁気空隙が大きい状態では、永久磁石３６の磁束Φｐｍは可動子３２の移動に影響を及ぼさない程度である。

次に、可動子３２が投入位置まで移動すると、駆動回路７の放電スイッチ７２Ａおよびスイッチ７８ＡがＯＦＦされ、各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂへの励磁が停止される。従って、各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂから磁束は発生せず、図７に示すように、永久磁石３６による磁束Φｐｍのみが発生している。この時、可動子３２と下部３１Ｂは当接しており磁路内に磁気空隙がないため、磁束Φｐｍの磁束量は多く、可動子３２を固定子３１の下部３１Ｂ側に吸着保持する力（磁気吸引力）は、開放バネ３３および接圧バネ５の付勢力Ｆｏ、Ｆｗの合計より大きくなる。従って、各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂの励磁を停止した状態でも、可動子３２は固定子３１の下部３１Ｂ側に吸着保持される。

図８は、投入動作に際し両駆動コイル３４Ａ、３４Ｂを永久磁石３６と同方向に励磁している状態において、可動子３２に作用する力とストローク位置との関係を示す。
横軸は可動子３２のストローク位置を示し、右側が開放位置、左側が投入位置である。縦軸は可動子３２に作用する力であり、磁気吸引力およびバネによる付勢力を示している。
バネによる付勢力は、開放バネ３３の付勢力Ｆｏと接圧バネ５の付勢力Ｆｗの和で表される。開放位置では可動子３２に作用するバネの付勢力は開放バネ３３による付勢力Ｆｏのみであるが、所定位置から接圧バネ５の付勢力Ｆｗが加わるため、図に示すような２段の折線になる。
磁気吸引力Ｆｅｍは、投入位置に近づくほど可動子３２と固定子３１の下部３１Ｂ間の磁気空隙が短縮されるため、大きくなる。従って、ストロークが長い場合、磁気吸引力が低下してしまう。しかし本実施の形態１においては、磁極部３５が存在することにより、図５で示すような、下部３１Ｂから磁極部３５を経由して可動子３２へ流れる磁路が形成され、可動子３２と下部３１Ｂが離れた位置であっても、磁気空隙が短縮されたことになり、磁気吸引力Ｆｅｍが一時的に大きくなる。磁気吸引力Ｆｅｍは図８に示すような曲線となり、開放位置近辺でも高い磁気吸引力（凸部）を有している。

駆動回路７の放電スイッチ７２Ａおよびスイッチ７８ＡがＯＦＦされ、投入動作が終了すると、駆動回路７の各スイッチは次の開放動作に備え、切替スイッチ７５ａ、７５ｂおよびスイッチ７８ＢがＯＮ、切替スイッチ７３ａ、７３ｂ、７４ａ、７４ｂおよびスイッチ７８ＡがＯＦＦにセットされる。

次に、図９〜図１１を参照して、主回路に重故障等が発生した場合の高速の開放動作について説明する。開放動作は、投入状態（図２の状態）から開放状態（図１の状態）へ移行する動作である。図９、図１０は電磁アクチュエータ３の動作を説明する図であり、図１１は高速開放動作における可動子３２に作用する力とストローク位置との関係を示す。

図２のように遮断器１が投入状態で安定している時の電磁アクチュエータ３の状態は図７で説明した通りである。放電スイッチ７２Ａ、７２ＢがＯＦＦであり、駆動コイル３４Ａ、３４Ｂはいずれも励磁されていない。そして永久磁石３６による磁束Φｐｍにより、可動子３２は固定子３１の下部３１Ｂに吸着保持され安定している。
なお、上述の通り駆動回路７の各スイッチは前回投入動作終了後に開放動作に備えてセットされており、切替スイッチ７５ａ、７５ｂおよびスイッチ７８ＢがＯＮ、切替スイッチ７３ａ、７３ｂ、７４ａ、７４ｂおよびスイッチ７８ＡがＯＦＦの状態である。

上記のような投入状態において開放動作を開始する場合、まず制御回路８が高速動作を行うか低速動作を行うか判断し、動作指令を駆動回路７に送る。高速動作をする場合には、動作指令により駆動回路７の放電スイッチ７２ＢがＯＮされる。これにより充電されたコンデンサ７１Ｂから電流が放電されて、第２の駆動コイル３４Ｂが永久磁石３６と逆方向に励磁される。
図９に示すように、第２の駆動コイル３４Ｂにより発生する磁束Φｃ１（図中実線矢印で示す）は、主に下部３１Ｂ、側部３１Ｃ、磁極部３５を経由する永久磁石３６による磁束Φｐｍ（図中点線矢印で示す）とは逆向きの小さいループの磁路を形成する。この磁束Φｃ１が磁束Φｐｍを打ち消し、磁束Φｃ１と磁束Φｐｍによる磁気吸引力Ｆｅｍが開放バネ３３および接圧バネ５の付勢力Ｆｏ、Ｆｗの合計より小さくなる。すると、図１０に示すように、可動子３２が固定子３１の上部３１Ａ方向に移動する。なお、特に磁気空隙が大きい図１０のような状態では、永久磁石３６による磁束Φｐｍは非常に小さく、可動子３２の移動に影響を及ぼさない程度である。

図１１を参照し、開放速度について説明する。
上述の通り、高速開放動作では第２の駆動コイル３４Ｂのみを逆励磁するため、第２の駆動コイル３４Ｂによる磁束Φｃ１は主に下部３１Ｂ、側部３１Ｃ、磁極部３５を経由する小さなループの磁路を形成する。磁束Φｃ１は可動子３２が下部３１Ｂから離れると、可動子３２を吸引するように作用するが、図１０の状態のように、可動子３２が磁極部３５よりも開放位置側へ移動し小さなループの磁路から離れてしまうと、磁束Φｃ１による吸引力が可動子３２に作用しなくなる。従って、図１１に示すように、可動子３２を吸引する磁気吸引力Ｆｅｍは急激に低下する。可動子３２は、バネ付勢力（開放バネ３３の付勢力Ｆｏおよび接圧バネの付勢力Ｆｗの合計）と磁気吸引力Ｆｅｍとのエネルギー差（図中斜線部）に相当する速度で移動する。磁気吸引力が急激に低下することによりエネルギー差が大きくなるため可動子３２は高速で開放する。
なお、第２の駆動コイル３４Ｂによる磁束Φｃ１が下部３１Ｂ、側部３１Ｃ、上部３１Ａを経由する大きいループの経路にほとんど流れず、主に小さいループの磁路を形成する理由は、磁路が相対的に短かく磁気抵抗が小さいためである。

このようにして可動子３２が開放位置まで移動すると、駆動回路７の放電スイッチ７２Ｂおよびスイッチ７８ＢがＯＦＦされ、第２の駆動コイル３４Ｂの励磁が停止される。なお、上記図４で説明したとおり、第２の駆動コイル３４Ｂの励磁を停止しても、開放バネ３３の付勢力Ｆｏにより可動子３２は開放位置で安定する。
その後、駆動回路７の各スイッチは次の投入動作に備え、切替スイッチ７３ａ、７３ｂ、７４ａ、７４ｂおよびスイッチ７８ＡがＯＮ、切替スイッチ７５ａ、７５ｂおよびスイッチ７８ＢがＯＦＦにセットされる。

なお、投入動作時には、可動子３２を移動させるために、開放バネ３３および接圧バネ５の付勢力より大きな磁気吸引力が必要であったが（図８参照）、開放動作時には開放バネ３３および接圧バネ５の付勢力より小さな磁気吸引力とすることにより可動子３２を移動させる（図１１参照）。従って、開放動作時に所望の磁気吸引力を得るため、駆動回路７に抵抗７７を配設し（図３参照）、第２の駆動コイル３４Ｂに流す電流を制限している。

次に、図１２〜図１４を参照して、主回路に軽故障等が発生した場合や通常開閉の場合の低速の開放動作について説明する。図１２、図１３は電磁アクチュエータ３の動作を説明する図であり、図１４は可動子３２に作用する力とストローク位置との関係を示す。

上記のような投入状態において開放動作を開始する場合、まず制御回路８が高速動作を行うか低速動作を行うか判断し、動作指令を駆動回路７に送る。前回投入動作終了後にセットされた駆動回路７の各スイッチは、第２の駆動コイル３４Ｂにのみを逆励磁する高速開放動作に備えたものである。従って低速動作を行うと判断した場合は、制御回路８による動作指令によりまず駆動回路７の切替スイッチ７４ａ、７４ｂがＯＮされ、その後放電スイッチ７２ＢがＯＮされる。これにより充電されたコンデンサ７１Ｂから電流が放電されて、第１および第２の駆動コイル３４Ａ、３４Ｂが永久磁石３６と逆方向に励磁される。
図１２に示すように、第１および第２の駆動コイル３４Ａ、３４Ｂにより発生する磁束Φｃ２（図中実線矢印で示す）は、下部３１Ｂ、側部３１Ｃ、上部３１Ａを経由する永久磁石３６による磁束Φｐｍ（図中点線矢印で示す）とは逆向きの大きいループの磁路を形成する。この磁束Φｃ２が磁束Φｐｍを打ち消し、磁束Φｃ２と磁束Φｐｍによる磁気吸引力Ｆｅｍが開放バネ３３および接圧バネ５の付勢力Ｆｏ、Ｆｗの合計より小さくなる。すると、図１３に示すように、可動子３２が固定子３１の上部３１Ａ方向に移動する。なお、特に磁気空隙が大きい図１３のような状態では、永久磁石３６による磁束Φｐｍは非常に小さく、可動子３２の移動に影響を及ぼさない程度である。

図１４を参照し、開放速度について説明する。
上述の通り、低速開放動作では第１および第２の駆動コイル３４Ａ、３４Ｂを両方逆励磁するため、これにより発生する磁束Φｃ２は下部３１Ｂ、側部３１Ｃ、上部３１Ａを経由する大きなループの磁路を形成する。磁束Φｃ２は可動子３２が下部３１Ｂから離れると、可動子３２が開放位置に達するまで磁束Φｃ２が可動子３２を吸引するように作用する。また、磁極部３５が存在することにより、図１３で示すような、可動子３２から磁極部３５を経由して下部３１Ｂへ流れる磁束Φｃ２による磁路が形成されると、可動子３２と下部３１Ｂが離れた位置であっても、磁気空隙が短縮されたことになり、磁気吸引力Ｆｅｍが一時的に大きくなる。
このため、図１４に示すように可動子３２を吸引する磁気吸引力Ｆｅｍは急激に低下せず、図１１の場合に比べ特に開放位置側でゆるやかに低下する曲線となる。磁気吸引力がゆるやかに低下することにより、バネ付勢力（開放バネ３３の付勢力Ｆｏおよび接圧バネの付勢力Ｆｗの合計）と磁気吸引力Ｆｅｍとのエネルギー差（図中斜線部）が小さくなるため、可動子３２は低速で開放する。
また、高速開放動作の場合は第２の駆動コイル３４Ｂのみを逆励磁し、低速開放動作の場合は第１および第２の駆動コイル３４Ａ、３４Ｂを両方逆励磁したため、発生する磁束量も異なる。すなわち、第２の駆動コイル３４Ｂのみの場合の磁束Φｃ１は、両駆動コイル３４Ａ、３４Ｂの磁束Φｃ２よりも小さい。従って高速時と低速時で磁気吸引力Ｆｅｍに差をつけることができる。これにより磁気吸引力Ｆｅｍとバネ付勢力とのエネルギー差を調整し可動子３２の移動速度を変えることができる。
なお、各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂの抵抗や巻数を変えて磁気吸引力Ｆｅｍとバネ付勢力とのエネルギー差を調整し、可動子の移動速度を所望の値に設定することもできる。

このようにして可動子３２が開放位置まで移動すると、駆動回路７の放電スイッチ７２Ｂおよびスイッチ７８ＢがＯＦＦされ、第１および第２の駆動コイル３４Ａ、３４Ｂの励磁が停止される。なお、上記図４で説明したとおり、第２の駆動コイル３４Ｂの励磁を停止しても、開放バネ３３の付勢力Ｆｏにより可動子３２は開放位置で安定する。
その後、駆動回路７の各スイッチは次の投入動作に備え、切替スイッチ７３ａ、７３ｂ、７４ａ、７４ｂおよびスイッチ７８ＡがＯＮ、切替スイッチ７５ａ、７５ｂおよびスイッチ７８ＢがＯＦＦにセットされる。

なお、上述の通り投入動作時には、可動子３２を移動させるために、開放バネ３３および接圧バネ５の付勢力より大きな磁気吸引力が必要であったが（図８参照）、開放動作時には開放バネ３３および接圧バネ５の付勢力より小さな磁気吸引力とすることにより可動子３２を移動させる（図１１参照）。従って、開放動作時に所望の磁気吸引力を得るため、駆動回路７に抵抗７７を配設し（図３参照）、第１および第２の駆動コイル３４Ａ、３４Ｂに流す電流を制限している。

以上のように、本実施の形態１によれば、可動子を固定子から離間する開放バネを備えることにより長ストロークの場合にも高速開放動作を実現できる電磁アクチュエータに、複数の駆動コイルを備え、各駆動コイルの励磁方向および励磁する駆動コイルを選択して可動子の移動速度を変えることができるため、状況に応じた開閉動作を行うことができ、電磁アクチュエータおよびこれを搭載した遮断器等の機械的寿命を高めることができる。
また、隣り合って配置される駆動コイルの間に磁極部が配設されるため、励磁する駆動コイルを選択することによって、磁極部を通る小さいループの磁路を形成することができる。これにより可動子の移動速度をより効率よく変えることができる。また、磁極部に磁束が流れることにより、長ストロークの場合にも可動子と固定子間の磁気空隙による磁気吸引力の低下を抑制することができる。このため、電磁アクチュエータの小型化や駆動電源の容量を抑えることができる。
また、開放動作時に高速動作をするか低速動作をするかは、電磁アクチュエータを搭載した遮断器に接続される主回路の電流または電圧の測定結果に基づいて制御回路により判断され、これにより励磁する駆動コイルが選択される。このため、主回路の状況に応じて適切な速度で可動子を移動させることができる。これにより、不要な高速開閉動作をなくし、遮断器等の機械的寿命を向上させることができる。

なお、固定子の形状は上記実施の形態１の形状に限られるものではなく、例えば一端側に開口部を有し、この開口部から可動子の端部を抜き差しできるような円筒状のものであってもよい。
また、固定子内に配設される駆動コイルの数は２つに限られるものではなく、電磁アクチュエータのストローク長に合わせて、駆動コイルを可動子の移動方向に沿って３つ以上配設してもよい。この場合、例えば投入動作時には全駆動コイルを順方向に励磁し、高速開放動作時には、可動子の投入方向側の端部に配置される駆動コイルのみを逆励磁し、低速開放動作時には、可動子の投入方向側の端部に配置される駆動コイルを含む２以上の駆動コイルを逆励磁することにより、可動子の移動方向および移動速度を調整する。
また、本実施の形態１では可動子３２の移動速度の調整は開放動作時にのみ行ったが、投入動作時であっても励磁する駆動コイルを選択することで磁気吸引力を調整し、移動速度を変えることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、上記実施の形態１と駆動回路の構成が異なっている。なお、実施の形態１と同様の部分については同一符号を付して説明を省略する。
図１５は本実施の形態２の駆動回路７Ａを示す回路図である。図に示すように駆動回路７Ａは、上記実施の形態１の駆動回路７とほぼ同様であるが、各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂと直列に接続され各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂに流れる電流を制限する抵抗７９Ａ、７９Ｂと、各抵抗７９Ａ、７９Ｂに並列に接続され各抵抗７９Ａ、７９Ｂをバイパスする短絡スイッチ８０Ａ、８０Ｂとを備えている点で異なっている。また、上記実施の形態１の駆動回路７に配設されていた抵抗７７は、本実施の形態２の駆動回路７Ａでは設けられていない。
このような駆動回路７Ａにおいて、投入動作の場合には短絡スイッチ８０Ａ、８０ＢをＯＮすることにより抵抗７９Ａ、７９Ｂをバイパスさせて励磁電流を各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂに流す。また、開放動作の場合には短絡スイッチ８０Ａ、８０ＢをＯＦＦすることにより抵抗７９Ａ、７９Ｂを介して各駆動コイル３４Ａ、３４Ｂに流れる電流を制御する。

以上のように、本実施の形態２では上記実施の形態１と同様の効果を有するとともに、各駆動コイルと直列に抵抗を備え、各抵抗に並列に短絡スイッチを備えたため、所望の開放速度に応じて各駆動コイルに流れる電流をそれぞれ調整でき、より柔軟に開放速度を変化させることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、上記実施の形態１と駆動コイルおよび駆動回路の構成が異なっている。なお、実施の形態１と同様の部分については同一符号を付して説明を省略する。
図１６は本実施の形態３の電磁アクチュエータ３Ａ構成を説明するための模式図である。図に示すように電磁アクチュエータ３Ａは、固定子３１の内空間に可動子３２の移動方向に沿って第１の駆動コイル３７および第２の駆動コイル３８が配設されている。各駆動コイル３７、３８は、それぞれ２重に巻回されており、第１の駆動コイル３７はコイル３７Ａ、３７Ｂから構成され、第２の駆動コイル３８はコイル３８Ａ、３８Ｂから構成されている。
このように各駆動コイル３７、３８がそれぞれ２つの駆動コイル３７Ａ、３７Ｂおよび３８Ａ、３８Ｂから構成されているため、各駆動コイル３７、３８に励磁電流を供給する駆動回路７Ｂは投入動作用の回路と開放動作用の回路に分離して構成することができる。

図１７は投入動作用の回路であり、第１の駆動コイル３７Ａと第２の駆動コイル３８Ａが接続される。投入動作時には、放電スイッチ７２ＡをＯＮすることにより、充電されたコンデンサ７１Ａから電流が放電され、各駆動コイル３７Ａ、３８Ａを励磁する。
図１８は開放動作用の回路であり、第１の駆動コイル３７Ｂと第２の駆動コイル３８Ｂが接続される。開放動作時には、放電スイッチ７２ＢをＯＮすることにより、充電されたコンデンサ７１Ｂから電流が放電され、各駆動コイル３７Ｂ、３８Ｂを励磁する。駆動コイル３７Ｂ、３８Ｂ間には切替スイッチ８１ａ、８１ｂが設けられ、切替スイッチ８１ａ、８１ｂのＯＮ／ＯＦＦにより励磁する駆動コイル３７Ｂ、３８Ｂを選択する。

以上のように本実施の形態３では、上記実施の形態１と同様の効果を有するとともに、切替スイッチの配設箇所が少ないため、切替え動作が単純であり、切替えに要する時間を短縮することができる。また、投入動作時に使用する駆動コイルと開放動作時に使用する駆動コイルとの巻数を変えることで各動作時に各駆動コイルから発生する磁束量を調整することができ、電流制限用の抵抗が不要である。

なお、本実施の形態３の別例として、上述の各駆動コイル３７、３８を２重に巻回した構成ではなく、各駆動コイル３７０、３８０の巻線の途中にタップを備えた構成について以下説明する。
本実施の形態３の別例の各駆動コイル３７０、３８０はタップ３７０Ｃ、３８０Ｃを備えたことにより、駆動コイル３７０Ａ、３７０Ｂおよび３８０Ａ、３８０Ｂに分けることができる。
この場合の駆動回路７Ｃを図１９に示す。駆動回路７Ｃの構成は上記実施の形態１の駆動回路７（図３参照）とほぼ同様であるが、開放動作時に使用するコンデンサ７１Ｂのマイナス端子がタップ３７０Ｃ、３８０Ｃに接続されている。これにより、コンデンサ７１Ｂによる電流は駆動コイル３７０、３８０の一部である駆動コイル３７０Ｂ、３８０Ｂを励磁する。なお、投入動作時は上記実施の形態１と同様、コンデンサ７１Ａにより駆動コイル３７０、３８０全体を励磁する。
このような構成とすれば、開放動作時と投入動作時で励磁する駆動コイルの巻数を変えることができ、巻数の変更もタップの位置により自由に設定できる。従って、各動作時に各駆動コイルから発生する磁束量を容易に調整することができる。

１遮断器（開閉装置）、３，３Ａ電磁アクチュエータ、４絶縁体、
５接圧バネ、６操作ロッド、７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ駆動回路、８制御回路、
２２固定接点、２３可動接点、３１固定子、３２可動子、３３開放バネ、
３４，３４Ａ，３４Ｂ駆動コイル、３５磁極部、３６永久磁石、
３７Ａ，３７Ｂ，３８Ａ，３８Ｂ駆動コイル、
７３ａ，７３ｂ，７４ａ，７４ｂ，７５ａ，７５ｂ切替スイッチ、
７９Ａ，７９Ｂ抵抗、８０Ａ，８０Ｂ短絡スイッチ、
３７０Ａ，３７０Ｂ，３８０Ａ，３８０Ｂ駆動コイル、３７０Ｃ，３８０Ｃタップ。

Claims

固定子と、上記固定子の内空間に往復運動可能な状態で配置された可動子と、上記可動子を上記固定子から離間する方向へ付勢する開放バネと、上記固定子の内空間に上記可動子の移動方向に沿って複数配設され上記可動子を駆動させるための複数の駆動コイルと、上記各駆動コイルに励磁電流を供給する駆動回路と、上記可動子を上記固定子側で吸着保持する永久磁石とを備え、
上記各駆動コイルの励磁方向および励磁する駆動コイルを選択することで、上記可動子の移動方向および移動速度を変えることを特徴とする電磁アクチュエータ。
隣り合って配置される上記駆動コイルの間には、上記固定子から突出して形成される磁極部が配設されている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。
固定接点と可動接点からなり接離可能な接点対と、操作ロッドを介して上記接点対の開閉操作を行う電磁アクチュエータと、上記操作ロッド上に配置され上記接点対と上記電磁アクチュエータとを絶縁する絶縁体と、上記操作ロッド上に配置され上記接点対に接触荷重を印加する接圧バネとを備え、主回路の開閉を行うための電磁操作式の開閉装置であって、
上記電磁アクチュエータは、上記請求項１または２に記載の電磁アクチュエータであることを特徴とする電磁操作式の開閉装置。
上記駆動回路に動作指令を送る制御回路を備え、上記制御回路は、上記主回路の電流または電圧の測定結果に基づいて励磁する駆動コイルを選択することを特徴とする請求項３に記載の電磁操作式の開閉装置。
上記駆動コイルは、巻線の途中にタップを備え、上記タップを介して上記駆動コイルの一部を選択し、励磁電流を供給することを特徴とする請求項３または４に記載の電磁操作式の開閉装置。
上記駆動回路は、励磁する駆動コイルを選択するための複数の切替スイッチを備え、
上記各切替スイッチは、上記接点対を閉する投入動作の完了後には次回の開放動作に備えてセットされ、上記接点対を開する開放動作の完了後には次回の投入動作に備えてセットされることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の電磁操作式の開閉装置。
上記駆動回路は、上記各駆動コイルと直列に接続され上記各駆動コイルに流れる電流を制限する抵抗と、上記各抵抗に並列に接続され上記各抵抗をバイパスする短絡スイッチとを備えたことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の電磁操作式の開閉装置。
固定接点と可動接点とからなり接離可能な接点対、
磁性体からなる固定子と、上記固定子の内空間に往復運動可能な状態で配置された可動子と、上記可動子を上記固定子から離間する方向へ付勢する開放バネと、上記固定子の内空間に上記可動子の移動方向に沿って複数配設され上記可動子を駆動させるための複数の駆動コイルと、上記各駆動コイルに励磁電流を供給する駆動回路と、上記各駆動コイルの間に配置され上記固定子から突出して形成される磁極部と、上記可動子を上記固定子側で吸着保持する永久磁石とを備えた電磁アクチュエータ、
および上記接点対と上記電磁アクチュエータとを接続する操作ロッド、
からなり主回路の開閉を行うための電磁操作式の開閉装置の制御方法であって、
上記各駆動コイルの励磁方向および励磁する駆動コイルを選択することで、上記可動子の移動方向および移動速度を変えることを特徴とする電磁操作式の開閉装置の制御方法。
上記駆動回路に動作指令を送る制御回路を備え、上記制御回路は、上記主回路の電流または電圧の測定結果に基づいて励磁する駆動コイルを選択することを特徴とする請求項８に記載の電磁操作式の開閉装置の制御方法。
上記接点対を閉する投入動作を行う場合には上記全ての駆動コイルを順方向に励磁し、上記接点対を高速で開する高速開放動作を行う場合には上記駆動コイルのうち上記可動子の投入方向側の端部に配置される駆動コイルを逆方向に励磁し、上記接点対を低速で開する低速開放動作を行う場合には上記可動子の投入方向側の端部に配置される駆動コイルを含む２以上の駆動コイルを逆方向に励磁することを特徴とする請求項８または９に記載の電磁操作式の開閉装置の制御方法。
励磁する駆動コイルの選択は、上記駆動回路に設けられた複数の切替スイッチにより行われ、投入動作の完了後には次回の開放動作に備えて上記各切替スイッチのＯＮ／ＯＦＦをセットし、開放動作の完了後には次回の投入動作に備えて上記各切替スイッチのＯＮ／ＯＦＦをセットすることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電磁操作式の開閉装置の制御方法。