JP2016025169A - 操作器または電力用開閉機器 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く操作可能な操作器または電力用開閉機器を提供することを目的とする。【解決手段】上記の課題を解決するために、可動子１２と、可動子１２の可動方向に配置され、通電時において可動子１２に加わる磁力を生じさせる複数のコイル３１、３２と、複数のコイル３１、３２の各々に対して可動方向で両側に配置される磁性材２、４、６とを備え、複数のコイル３１、３２のうち、可動方向における可動子１２との距離が短いコイル３１のターン数が、可動方向における可動子１２との距離が長いコイル３２のターン数よりも少ないことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、開閉機器向けなどの操作器に関するものであり、特に電磁石を搭載するものに関する。

従来の電磁石を搭載した操作器の例として、例えば特許文献１や特許文献２に記載されたものがある。特許文献１に記載された操作機構は、永久磁石、固定鉄心、プランジャ、およびコイルからなる電磁石と、遮断ばね、接圧ばね等より構成され、主接点を投入および遮断状態とするための駆動源として用いられる。

遮断ばねは、主接点の遮断動作の際に操作力を供給する。接圧ばねは、主接点可動部に接続され、投入時に主接点溶着を防止するため主接点間に接触圧力を与えると共に、遮断動作の際の操作力も供給する。

まず、投入動作について説明する。コイルが励磁されると、プランジャが固定鉄心方向に吸引され、プランジャに連動した主接点可動部が主接点固定部と接触する。その後もプランジャは固定鉄心と衝突して停止するまで動き続け、その間にワイプばねを十分蓄勢すると投入動作が完了する。投入動作完了後はコイル励磁を停止し、永久磁石の磁気吸引力で投入状態を保持する。次に遮断動作について説明する。コイルを投入時とは逆方向の磁場を生じるように励磁し、永久磁石の磁気吸引力をキャンセルすることで、投入動作中に蓄勢されていた遮断ばねと接圧ばねの反発力により主接点可動部が開極方向に動き、遮断状態となる。

また特許文献２では、電磁アクチュエータについて記載しており、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。

特開２００２−２８９４３０号公報 特開２０１０−２６２８４０号公報

特許文献１に記載の様にプランジャを用いる電磁石を用いた操作器が生ずる操作力はストロークの２乗に反比例し、ストロークが長大化した場合、必要な操作力を得るには、コイルのターン数を増やして大型化するか、コイルの励磁電流を大きくしなければならない。また特許文献２の様に複数の駆動コイルを設けることも考えられるが、必要なタイミングで効率良く励磁電流を供給する上では充分でない。

本発明では効率良く操作可能な操作器または電力用開閉機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る操作器は、可動子と、前記可動子の可動方向に配置され、通電時において前記可動子に加わる磁力を生じさせる複数のコイルと、複数の前記コイルの各々に対して前記可動方向で両側に配置される磁性材とを備え、複数の前記コイルのうち、前記可動方向における前記可動子との距離が短いコイルのターン数が、前記可動方向における前記可動子との距離が長いコイルのターン数よりも少ないことを特徴とする。

また、本発明に係る電力用開閉機器は、上記操作器と、前記可動子の動作と連動して動作する可動電極と、該可動電極と対向して接触または開離する固定電極とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、効率良く操作可能な操作器または電力用開閉機器を提供することが可能になる。

実施例に係る電磁石の構成図である。 実施例に係る電磁石の投入動作の説明図である。 実施例に係る電磁石の投入動作の説明図である。 実施例に係る電磁石の遮断動作の説明図である。 実施例に係る電磁石の回路構成図である。 操作機構の負荷力をあらわす図である。 実施例に係る操作機構を搭載した遮断器の構成図である。 実施例に係る電磁石の回路構成の他の図である。

以下、本発明の実施例を説明する。なお、下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明の内容を下記具体的態様に限定するものではない。発明自体は、下記実施例以外にも種々の形態に変形させることが可能である。下記実施例によれば、アンペアターンが異なる（ターン数が異なる）複数のコイルに流れる励磁電流が適切に制御されることで、遮断器の負荷力特性に適した吸引力を発生でき、投入動作時の効率が向上する。さらに、可動子となるプランジャの可動方向に配置される複数のコイルの間に中間磁路を設けたことにより、ストロークが長大化した場合でも、コイルを励磁する際の磁気抵抗を従来例よりも低減でき、動作を効率化できる。

本実施例の操作機構に係る電磁石は図１に示すように構成され、本実施例の操作機構を適用した遮断器（電力用開閉機器の一種）は図７に示すように構成される。操作機構は、電磁石４０を有している。電磁石４０から操作対象となる主接点側にはロッド１３が突出しており、電磁石４０からの駆動力を取りだせる様にしている。ロッド１３はシャフト５５に接続されている。主接点６６は、可動子の動作と連動して動作する可動電極６９と、可動電極６９と対向して接触または開離する固定電極６７とを備えている。電磁石４０よりも操作対象となる接点側には遮断ばね５４、レバー５７、絶縁体６１が備えられている。操作器からの操作力により、主接点の可動側導体６３を上下方向に駆動する。電磁石４０は、三相分の主接点に対して、１ないし３個を使用し、操作機構筐体６７の側面に固定支持する。電磁石４０の下部には、遮断ばね５４を受ける支持台５２が支持棒５１を介して固定されている。電磁石動力を伝達するシャフト５５には、ばね受け５３が固定されており、ばね受け５３には遮断ばね５４の支持台５２側とは他端が接続される。シャフト５５の駆動と共に遮断ばね５４を蓄勢・釈放動作する。シャフト５５は、軸受け５８を中心に回転するレバー５７と、円周方向に回転自在なピン５６を介して接続される。

モールド６８の内部には主接点６６が存在し、固定電極６７と可動電極６９が対向配置され、真空絶縁、あるいはガス絶縁されている。主接点６６は図１の紙面奥行き方向に三相分配置される。レバー５７は、各相に対して、ピン５９で可動側導体６３に連なる絶縁体６１と接続され、三相分の操作力を伝達する。

絶縁体６１中には、図示しないが、接圧ばねが含まれており、主接点６６が接触状態となって後に接圧ばねが蓄勢されるようになっている。主接点６６の固定側電極は、上部断路導体６５に接続される。また、主接点６６の可動電極６９は、可動導体６３および可とう性のフレキシブル導体６２を介して、下部断路導体６４と接続される。

次に図１を用いて電磁石６０の構成を説明する。図１は遮断状態を示している。電磁石６０は、中心を非磁性体製のロッド１３が貫通する構造となっており、磁性体製の筐体１と、上部磁路２、側脚３、中間磁路４、下部磁路５、中央脚６で外郭が構成され、外側への磁場漏洩が少ない構造となっている。具体的には、電磁石６０の上部側を筐体１が覆っており、筐体１の下部には磁性材で形成される上部磁路２が配置され、可動子となるプランジャ１２に近い位置まで内部に突出している。プランジャ１２は磁性材で形成される。上部磁路２は、下述する上部コイル３１及び側脚３の上面を覆っている。側脚３は磁性材で形成され、上部磁路２の下部に配置されると共に、上部コイル３１の外側を覆って配置される。側脚３の下部には磁性材で形成される中間磁路４が配置され、側脚３下部から上部コイル３１及び下述する下部コイル３２の内側端まで内部に突出しており、やはりプランジャ１２に近い位置まで内部に突出している。下部コイル３２は上部コイル３１よりも、電力用開閉機器の投入時に可動子が動作する方向側に配置される。上部磁路２は、下部コイル３２及び下部コイル３２の外側を覆って配置される側脚３の上面を覆っている。下側の側脚３はやはり磁性材で形成され、中間磁路４の下部に配置される。下部コイル３２及び下側の側脚３の下側には、磁性材で形成される下部磁路５が設けられ、下部磁路５は下側の側脚３の下側からロッド１３に近い位置まで突出している。下部経路５の上側で、かつ下部コイル３２の内側には磁性材で形成される中央脚が設けられる。プランジャ１２は、可動方向について中央脚６に当接する位置まで移動可能である。磁性材で形成される上部磁路２と中間磁路４は、上部コイル３１におけるプランジャ１２の可動方向について両側に配置される。また、磁性材で形成される中間磁路４と下部磁路５は、下部コイル３２におけるプランジャ１２の可動方向について両側に配置される。尚、電磁石６０の断面形状は、例えば円形あるいは矩形とすることができる。

プランジャ１２は、ロッド１３および可動平板１１とボルト１４により一体化しており、永久磁石２１、上部コイル３１、および下部コイル３２により生じる磁気吸引力で上下方向に摺動する。永久磁石２１は上部磁路２の上に設置される。上部コイル３１と下部コイル３２は、中間磁路４を挟んでプランジャ１２外周側に設置される。可動平板１１は、磁気吸着面積を増大させるために永久磁石２１と対向配置されており、永久磁石による磁気吸引力を増加させる効果がある。上部コイル３１及び下部コイル３２は、プランジャ１２の可動方向に配置され、通電時においてプランジャ１２に加わる磁力を生じさせる。本実施例においては、上部コイル３１が、プランジャ１２の可動方向におけるプランジャ１２との距離が短いコイルに相当し、上部コイル３１が、プランジャ１２の可動方向におけるプランジャ１２との距離が短いコイルに相当する。プランジャ１２の可動方向におけるプランジャ１２と各コイルの距離は、プランジャ１２が各コイルと離れている時点を基準として考えており、本実施例では図１の遮断状態がプランジャ１２が各コイルと離れている時点に相当する。上部コイル３１は、他の言い方をすれば、可動子となるプランジャ１２の駆動力の取り出し側（本実施例では、図１中の下側）に対して離れた側のコイルと考えることもでき、その場合、下部コイル３２は、可動子となるプランジャ１２の駆動力の取り出し側に対して近い側のコイルに該当する。

回路接続は図５のようになる。上部コイル３１と下部コイル３２は並列接続されている。そして本実施例では両コイルに給電する電源は共通しており、コンデンサ７１を用いている。スイッチ７２がオン状態になれば、直流充電可能なコンデンサ７１より励磁電流が供給される。

また本実施例では、上部コイル３１は、下部コイル３２よりもターン数が少なくなるように構成する。これにより、上部コイル３１のインダクタンスは、下部コイル３２のインダクタンスよりも大きくなる。コイル導体は、円形導体でもよいが、矩形導体を用いてコイル占積率を向上させてもよい。

次に、図２、図３、図５、図６を用いて投入動作について説明する。投入状態から主接点を投入するときは、まず、スイッチ７２を閉じ、充電されたコンデンサ７１より上部コイル３１、下部コイル３２の双方に励磁電流の供給を開始する。

遮断器の定格電圧を高電圧化するには、耐電圧性能に対する要求から、遮断状態における主接点間距離を大きくとる必要があるが、このとき、操作機構に用いる電磁石のストロークも長くなる。しかしながら、プランジャを用いる電磁石が生み出す操作力はストロークの２乗に反比例するため、ストロークが長大化すると、必要な操作力を得るには、コイルのターン数を増やして大型化するか、コイルの励磁電流を大きくしなければならない。コイルを大型化する場合は、コイル時定数が増大し遮断・投入の動作速度が低下するという問題あり、励磁電流が大きい場合は、大きな発熱密度に耐えなければならないのと同時に、励磁電流供給回路のスイッチング素子の容量も過大になるという問題がある。

また、遮断器操作機構に負荷力を与えるものとしては、遮断ばねや接圧ばねがある。投入動作時において、遮断ばねは常に負荷力として作用するが、接圧ばねは、主接点が接触状態となって後より負荷力として作用する。このため、負荷力は、図６に示すように主接点接触状態の前後で急激に変動するという特徴がある。ここで、コンデンサより単体コイルに電流供給する従来構成の電磁石を用いた場合は、高い操作力が必要なときにコイル励磁電流を上昇させるなどの負荷力変動に応じた励磁制御ができず、効率低下に繋がる。

一方で、本実施例においては、図２に示すように、上部コイルの磁束８１は上部磁路２、側脚３、中間磁路４、プランジャ１２を巡るように形成され、下部コイルの磁束８２は、上部磁路２、側脚３、下部磁路５、中央脚６、プランジャ１２の経路を巡るように形成される。上部コイル３１に着目すると、磁極間隙は中間磁路４とプランジャ１２との間の空間に形成される。この中間磁路４を設けない場合の磁極間隙は、中央脚６とプランジャ１２の間に形成されるため、ストロークが長大化する場合は磁極間隙が非常に長くなり、コイル起磁力を多く必要とする。これに対し、本実施例では、中間磁路４の存在により、磁極間隙が短縮されるため、必要なコイル起磁力を低減可能である。

上部コイルの磁束８１と下部コイルの磁束８２による磁気吸引力が遮断ばね５４の負荷力を上回ると、プランジャ１２は下方向に向かって動き始め、同時に遮断ばね５４の蓄勢が開始される。プランジャ１２先端が、中間磁路４下面と等しい位置（図３の位置）に到達すると、それ以降は、上部コイルの磁束８１はプランジャの磁気吸引力に寄与しなくなる。ただし、プランジャ位置が下方向に移動するにつれて、上部コイル３１の磁気抵抗が大幅に低下し、そのインダクタンスは、下部コイル３２のインダクタンスよりも大きくなるため、上部コイル３１の励磁電流は抑制され、下部コイル３２に多くの励磁電流が流れるようになる。

更に、本実施例では、上部コイル３１は、下部コイル３２よりもターン数が少なくなるように構成している。これにより上部コイル３１は、図３の位置に来た時に下部コイル３２のインダクタンスよりも確実に高くなる。よって、上部コイル３１に流れる励磁電流を確実に抑制でき、一方で、下部コイル３２に確実に多くの励磁電流が流れる様になる。即ち、操作の効率を向上させることが可能である。

尚、上部コイル３１の励磁電流を完全にゼロとするために、上記ターン数の条件と共に、または上記ターン数の条件に代えて、図８に示すようなスイッチ７３、７４を設け、スイッチ７３、７４が、操作器が接続される電力用開閉機器と言った開閉器の投入動作の途中で、上部コイルへの電流を遮断する様にできる。スイッチ７３、７４は、プランジャ１２の位置に応じて、位置情報に応じてスイッチング動作することにより励磁電流を遮断する様にしてもよい。

図３の状態より投入動作が完了するまでは、プランジャ１２は下部コイル３２の発生する磁束により駆動される。下部コイル３２が受け持つストロークは、コイルを分割しない場合と比べて短いので、必要な起磁力が低くて済む。図３の状態より後に、主接点６６が接触状態となり、ワイプばね蓄勢が開始されるために負荷力が急増するが、ターン数が大きい下部コイル３２に励磁電流が集中するため、必要な操作力をまかなうことができる。
プランジャ１２が中央脚６に衝突して停止すると投入動作完了であるが、その後、スイッチ７２によりコイル励磁電流を停止する。投入状態は、永久磁石２１の磁気吸引力でプランジャ１２が中央脚６に吸着されることで保持される。

次に、図４、図５を用いて遮断動作を説明する。まず、スイッチ７２を閉じ、充電されたコンデンサ７１より上部コイル３１、下部コイル３２の双方に励磁電流の供給を開始する。このとき、上部コイル３１および下部コイル３２の発生磁束の向きが投入時とは逆になるようにするため、コンデンサ７１の充電極性を投入時と逆にするか、回路接続をスイッチングにより変更する。下部コイルの磁束８２は、プランジャ１２を吸着保持している永久磁石の磁束８３と逆方向となり、永久磁石２１の磁気吸引力を減少させるように働く。下部コイル３２の励磁電流が増え、永久磁石２１の磁気吸引力が遮断ばね５４と接圧ばねによる負荷力を下回ると、プランジャ１２が動き出し、ばねに蓄勢されたエネルギーによって、遮断位置まで移動して停止する。遮断位置で停止させるためには、図示しないが、ストッパがあり、駆動部分のうち一部がストッパに衝突するようになっている。

下部コイル３２の磁束８２は、投入状態、つまり、プランジャ１２と中央脚６とが密着した磁気閉回路状態でのみ作用すればよい。よって、遮断動作において、永久磁石の磁束８３をキャンセルするために必要な起磁力は小さく、本実施例のように上部コイル３１と下部コイル３２に励磁電流が分流する状態であっても問題はない。あるいは、プランジャ位置を検出して、位置情報に応じてスイッチング動作することにより上部コイル３１に分流する励磁電流を遮断することもできる。この場合、遮断動作に要するエネルギーがより少なくて済む。

なお、コイルの個数は、本実施例のように２つに限るものではない。複数のコイルの各々に対して可動子の可動方向で両側に配置される磁性材を設けていれば良い。具体的には、ストロークが長大化するほど、中間磁路を挟みつつコイルを増設して対処することができる。

本実施例によれば、ストロークが長大化する場合に、コイルと磁路によりストロークを等価的に分割することで、必要な起磁力を低減できると共に、負荷力の急増に合わせて起磁力の大きいコイルに励磁電流が流れるように設定でき、動作効率を向上させることができる。

１…筐体
２…上部磁路
３…側脚
４…中間磁路
５…下部磁路
６…中央脚
１０…磁極間隙
１１…可動平板
１２…プランジャ
１３…ロッド
１４…ボルト
２１…永久磁石
３１…上部コイル
３２…下部コイル
４０…電磁石
５１…支持棒
５２…支持台
５３…ばね受け
５４…遮断ばね
５５…ロッド
５６…ピン
５７…レバー
５８…軸受
６１…絶縁体
６２…フレキシブル導体
６３…可動側導体
６４…下部接続導体
６５…上部接続導体
６６…主接点
７１…コンデンサ
７２…スイッチ
７３…スイッチ
７４…スイッチ
８１…上部コイルの磁束
８２…下部コイルの磁束
８３…永久磁石の磁束

Claims (7)

1. 可動子と、
   前記可動子の可動方向に配置され、通電時において前記可動子に加わる磁力を生じさせる複数のコイルと、
   複数の前記コイルの各々に対して前記可動方向で両側に配置される磁性材とを備え、
   複数の前記コイルのうち、前記可動方向における前記可動子との距離が短いコイルのターン数が、前記可動方向における前記可動子との距離が長いコイルのターン数よりも少ないことを特徴とする操作器。
2. 可動子と、
   前記可動子の可動方向に配置され、通電時において前記可動子に加わる磁力を生じさせる複数のコイルと、
   複数の前記コイルの各々に対して前記可動方向で両側に配置される磁性体とを備え、
   前記可動方向における前記可動子と複数の前記コイルとの距離が短くなる方向に前記可動子が動作する際、複数の前記コイルのうち、前記可動方向における前記可動子との距離が短いコイルに流れる電流が減少し、複数の前記コイルのうち、前記可動方向における前記可動子との距離が長いコイルに流れる電流が増加することを特徴とする操作器。
3. 請求項１または２に記載の操作器であって、
   前記可動子の位置に応じて、複数の前記コイルに流れる電流がスイッチによって切り替えられることを特徴とする操作器。
4. 請求項３に記載の操作器であって、
   前記スイッチは、前記操作器が接続される開閉器の投入動作の途中で、前記可動方向における前記可動子との距離が短いコイルへの電流を遮断することを特徴とする操作器。
5. 請求項３または４に記載の操作器であって、
   複数の前記コイルは互いに並列接続されることを特徴とする操作器。
6. 請求項５に記載の操作器であって、
   複数の前記コイルに給電する電源は共通することを特徴とする操作器。
7. 前記操作器と、前記可動子の動作と連動して動作する可動電極と、該可動電極と対向して接触または開離する固定電極とを備えることを特徴とする電力用開閉機器。