JP2020021938A - 電磁アクチュエータおよびこのアクチュエータを含む電気スイッチング・ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】電磁アクチュエータおよびこのアクチュエータを含む電気スイッチング・ユニットを提供すること。【解決手段】この電磁アクチュエータ（２）は、− 固定本体（４）と、− アクチュエータの磁気コアを形成し、後退位置と展開位置との間で固定本体（４）に対して平行移動で移動可能である可動部品（６）と、− 後退位置において可動部品を保持する第１の磁気力を生成するように調節された永久磁石を形成する磁性片（１０）と、− コイル（１２）が電気励磁電流を供給されたとき、第１の磁気力とは反対の第２の磁気力を発生させるように調節されたコイル（１２）とを含む。可動部品（６）は、可動部品（６）の本体に形成された１つまたは複数の切欠きを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁アクチュエータおよびこのアクチュエータを含む電気スイッチング・デバイスに関する。

配電のための設備で使用される回路遮断器などの電気スイッチング・デバイスは、一般に、機能が制御信号に応じて電気デバイスを電気的閉状態から電気的開状態に切り替えることである電磁アクチュエータを含む。例えば、アクチュエータの可動部品が、電気デバイスのスイッチング機構に結合される。アクチュエータは、特に、電気障害を検出した場合には電気の分配を中断させることができる。

ＦＲ−２８９３４４５−Ｂ１は、固定本体と、可動部品と、可動部品を動かすように調節された電気励磁磁気回路とを含む既知の電磁アクチュエータを開示している。磁気回路は、永久磁石と、制御信号によって電力供給される励磁コイルとを含む。

そのようなアクチュエータは、数多くの要件を満たさなければならない。そのようなアクチュエータは、スイッチング・デバイスの内部で容易に統合化されることができるように、コンパクトであり、小さい寸法を有しなければならない。そのようなアクチュエータは、特に電気障害の場合には制御信号に応じて迅速に反応しなければならない。そのようなアクチュエータは、高信頼でなければならず、そして意図せずにトリップしてはならないが、その理由は、これがスイッチング・デバイスの機能に影響を与えるからである。特に、そのようなアクチュエータは、スイッチング・デバイスの下流での短絡の間に生成される寄生磁場にさらされたときにトリップしてはならない。そのようなアクチュエータは、さらに、制御信号が埋込み型エネルギー貯蔵品から供給されるスイッチング・デバイス内で機能することができなければならない。

機能が改善された電磁アクチュエータを提案することによって、本発明がより具体的に是正しようと意図しているのはこれらの欠点である。

これを行うために、
本発明は、
− 固定本体と、
− アクチュエータの磁気コアを形成し、後退位置と展開位置との間で固定本体に対して平行移動で移動可能である可動部品と、
− 後退位置において可動部品を保持する第１の磁気力を生成するように調節された永久磁石を形成する磁性片と、
− コイルが電気励磁電流を供給されたとき、第１の磁気力とは反対の第２の磁気力を発生させるように調節されたコイルと
を含む電磁アクチュエータに関する。

可動部品は、可動部品の本体に形成された１つまたは複数の切欠きを含む。

本発明の結果、可動部品に配列された切欠きは、コイルの励磁中に可動部品に現れる渦電流を制限することを可能にする。さらに、切欠きは、磁気回路のインダクタンスを変更し、それゆえに、アクチュエータのトリッピングを制御するのに必要とされるエネルギー量を減少させることを可能にする。

本発明の有利であるが必須ではない態様によれば、そのようなアクチュエータは、単独で、または任意の技術的に容認される組合せにより得られる以下の特性のうちの１つまたは複数を組み込むことができる。
− 可動部品は、鉄−ケイ素合金で製作される。
− 合金におけるケイ素の質量濃度は、２％以上および６．５％以下、好ましくは、２．５％以上および３．５％以下である。
− 可動部品は、金属射出成形法によって製造される。
− 各切欠きは、可動部品の中心に対して半径方向に配設される。
− 切欠きの数は、１個と１０個との間にあり、好ましくは４個である。
− 切欠きの向かい合わせの縁部間の角度は、５°以上および５０°以下である。
− 可動部品の半径は、３ｍｍ以上および１０ｍｍ以下であり、半径方向切欠きの長さは、半径の３０％以上および半径の９０％以下である。
− 切欠きは、磁性片の中央幾何学面の両側に配設され、この平面に垂直に並べられる。

別の態様によれば、本発明は、スイッチング機構と、スイッチング機構に結合された電磁アクチュエータとを含む電気スイッチング・デバイスに関し、電磁アクチュエータは、前に説明されたとおりである。

説明が単に例として与えられ、添付図面を参照してなされる電磁アクチュエータの実施形態に関する以下の説明に照らして、本発明が一層よく理解され、本発明の他の利点がより明確になるであろう。

本発明の実施形態による電磁アクチュエータの断面図の概略図である。 図１のアクチュエータの磁気励磁回路の可動部品の第１の実施形態の斜視図に沿った概略図である。 第１の実施形態による断面ＩＩＩにおける図２の可動部品の断面図である。 図２および図３のアクチュエータの代替実施形態の断面図である。 本発明の実施形態による電磁アクチュエータを含む電気デバイスの概略図である。

図１は、固定本体４と、アクチュエータ２の磁心を形成する可動部品６とを含む電磁アクチュエータ２を示す。

可動部品６は、展開位置と後退位置との間でアクチュエータ２の長手軸Ｚ２に沿って固定本体４に対して平行移動で移動可能である。「トリップ位置」とも呼ばれる展開位置において、可動部品６は、固定本体４の外部に少なくとも部分的に展開される。「準備位置（ａｒｍｅｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）」とも呼ばれる後退位置において、可動部品６は固定本体４の内部に後退される。

本体４は、ここでは、長手軸Ｚ２を中心とする中空円筒の形状のケーシングを形成する。ケーシングは、可動部品６が後退位置と展開位置との間を移動するとき、可動部品６の平行移動の案内を確実にする。

アクチュエータ２は、可動部品６とは別に磁気回路のコアを形成し、アクチュエータ２が励磁されていないときに後退位置で可動部品６を保持するために第１の磁気力を作り出す磁性片１０を備える磁気励磁回路８をさらに含む。

部片１０は、長手軸Ｚ２を中心とする平円板形状を有する。部片１０がアクチュエータ２の内部に取り付けられると、部片１０の主面は軸Ｚ２に垂直となる。

例によれば、部片１０は、永久磁化を有する材料で、好ましくは、強磁性材料で製作される。

磁気回路８は、コイルが電気励磁電流によって電力供給されるとき第１の磁気力とは反対の第２の磁気力を発生させることができるコイル１２をさらに含む。第２の磁気力は、第１の磁気力とは反対であり、以下で説明されるように可動部品６の解放を可能にする。

図示の例では、第１の力および第２の力は、軸Ｚ２に沿って方向づけられる。コイル１２は、例えば、軸Ｚ２のまわりに同心円状に巻かれた導電性ワイヤの巻回を含む。

実施態様の例によれば、磁気回路８は、磁束を集中させるための部片１４をさらに含む。この例では、部片１４は、その下側を介して磁性片１０の上側に接触する。後退位置では、可動部品６は、部片１４の上部に接触する。

アクチュエータは、可動部品６に機械的に結合され復帰力を加えて可動部品６を展開位置の方に移動させるのに役立つ弾性復帰構成要素１６をさらに含む。例えば、復帰構成要素１６は、ばね、特に、軸Ｚ２のまわりに同軸状に取り付けられた圧縮コイルばねである。

アクチュエータ２が静止しているとき、磁性片１０によって加えられる第１の力は構成要素１６によって加えられる復帰力よりも大きく、その結果、可動部品６は後退位置にとどまる。コイル１２が、例えばアクチュエータ２に送られる制御信号に応じて電源によって励磁されると、コイル１２は、部片１０によって作り出される磁場とは反対の磁場を生成し、それにより、結果として生じる磁気力を減少させる。次いで、構成要素１６によって加えられる復帰力が、可動部品６を展開位置の方に移動させる。

例によれば、可動部品６は、本質的に円柱形の形状の本体と、本体の上端部から長手方向に延びる直線的な細いロッド形状部分とを含む。

図示の実施形態によれば、可動部品６は、ロッド形状部分に沿って滑動するように取り付けられ、二次的な復帰構成要素２０に結合され、その結果として、可動部品６に取り付けられる可動ヘッド１８を含む。例えば、構成要素２０は、軸Ｚ２と同心のコイルばねである。復帰構成要素１６は、一方では本体４に、他方では反対側の端部でヘッド１８に位置する。

実施態様の例によれば、同心円状に配設され、例えば、シールによって一緒に接続された少なくとも２つの部品２２および２４を組み立てることによって、固定本体４は形成される。参照記号２６は、本体４をその下端部において閉じるベース板を指し示す。例えば、磁性片１０は、ベース板２６の上側に取り付けられる。ヘッド１８は、本体４の反対側の端部において延びる。

例えば、アクチュエータ２は、特許ＦＲ ２ ８９３ ４４５ Ｂ１に記載されているアクチュエータと同様であり、同様の方法で機能する。

図２に示されるように、可動部品６は、可動部品６の本体に配列された溝または凹部などの１つまたは複数の切欠き３０を含む。切欠き３０は、好ましくは、可動部品６の本体の周囲縁部３２から延びる。実施形態によれば、切欠き３０は、半径方向切欠きである、すなわち、可動部品６の中心に対して、すなわち、ここでは、可動部品６の長手軸に対して半径方向に配設された切欠きである。可動部品６がアクチュエータ２に取り付けられると、可動部品６の長手軸は軸Ｚ２と同化する。したがって、切欠き３０は、可動部品６の周囲縁部３２に対して本質的に垂直に延びる。

例えば、各切欠き３０は、可動部品６の周囲縁部３２から可動部品６の中心の方に延びるとともに、可動部品６の半径方向断面部分を画定する。「半径方向断面部分」は、ここでは、切欠き３０が可動部品６の中心まで完全には延びていないので、切欠き３０が可動部品６の完全な半径方向断面を形成しないことを意味する。逆に、各切欠き３０は、中心に向かって、中心からゼロでない距離に位置を定められる内側端縁部３４で境をなす。

図３において、参照記号Ｒ６は、切欠き３０が形成されている可動部品６の本体で測定された可動部品６の半径を指し示す。参照記号ｗ３０は、切欠き３０の向かい合わせの縁部間の角度を指し示す。例えば、角度ｗ３０は、縁部３２で測定される。参照記号ｌ３０は、切欠き３０の幅を指し示す。

実施形態によれば、可動部品６の切欠き３０は同一である。

切欠き３０は、好ましくは、互いに対して規則正しく間隔をあけられる、すなわち、切欠き３０は、可動部品６の周囲全体にわたって均一に分配される。この場合、可動部品６は、可動部品６がアクチュエータ２の内部に取り付けられると、軸Ｚ２のまわりで回転対称を有する。

実施形態によれば、半径方向切欠き３０の数は、１個以上であり、好ましくは１個と１０個との間であり、さらにまた好ましくは３個と１０個との間である。図示の例では、切欠き３０の数は４個である。

実施形態によれば、切欠きの角度ｗ３０は、５°以上および５０°以下であるか、または切欠きの角度ｗ３０は、２０°以上および４０°以下である。例えば、幅ｌ３０は、５°以上および２０°以下である。他の角度値が可能である。

切欠き３０は、好ましくは、可動部品６の本体に沿って、可動部品６の長手方向軸と平行に、所定の高さに延びる。例えば、切欠き３０は、可動部品６の本体の長さの２０％以上の高さを有する。

特定の実施形態によれば、可動部品６の半径Ｒ６は、好ましくは、３ｍｍ以上および１０ｍｍ以下である。

例えば、半径方向切欠きの長さＬ３０は、半径Ｒ６の３０％以上および半径Ｒ６の９０％以下、好ましくは、半径Ｒ６の４０％以上および半径Ｒ６の７０％以下である。

実際には、溝３０の数および寸法の正確な値は、用途に応じて、特に、アクチュエータ２の期待される性能に応じて最適化される。例によれば、第１の磁気力がアクチュエータ２の十分な機能を保証するのに十分となるように、可動部品６の周囲を増加させ、同時に十分に大きいセクションｗ３０を維持することが好ましい。

例えば、実施形態によれば、可動部品６の周囲の長さの切欠き３０のない同じ半径の平円板の周囲に対する比は、１．５以上、好ましくは２以上、さらにまた好ましくは５以上である。

図示されていない変形によれば、各切欠き３０は、側面縁部が互いに平行である長方形形状を有する。したがって、各切欠き３０は、四辺形形状、例えば矩形形状を有する。この場合、幅ｌ３０は、可動部品６の縁部３４で測定されようと部品の縁部３２で測定されようと同じである。

コイル１２がアクチュエータ２を制御するために励磁されると、コイル１２は、軸Ｚ２に沿って並んだ磁束を作り出す。この磁束は、可動部品６の内部に渦電流を発生させ、それはエネルギー損失を引き起こす。これらの渦電流は、一般に、磁束の方向に垂直な可動部品６の面において、周囲縁部３２に沿って循環する。コイル１２によって作り出される磁束に接する切欠き３０の配置は、渦電流が進む等価経路の長さを増加させることを可能にし、それは、渦電流の循環を妨げ、エネルギー損失を低減する。

渦電流に起因するエネルギー損失の低減は、コイル１２に電力供給するのに必要とされるエネルギー量を減少させることを可能にする。これは、電気デバイスの内部のアクチュエータ２の励磁が、蓄電容量が限定されているバッテリまたはエネルギー貯蔵品を使用することによって行われる場合に有利である。

さらに、切欠き３０の数および寸法の選択は、可動部品６のリラクタンスを変更することを可能にし、それは、可動部品６のインダクタンス値を最適化し、それゆえに、アクチュエータ２をトリップさせるのに必要とされるエネルギー量を減少させることを可能にする。

最終的に、切欠き３０は、可動部品６の重量を減らす。それにより、可動部品６は、移動しやすくなる。それゆえに、アクチュエータ２の応答時間が減少する。

有利な実施形態によれば、可動部品６は、鉄−ケイ素合金で製作される。

鉄−ケイ素合金におけるケイ素の質量濃度は、好ましくは、２％以上および６．５％以下、好ましくは、２．５％以上および３．５％以下である。

特に有利な実施形態によれば、可動部品６は、金属射出成形法によって製造される。

鉄−ケイ素合金の使用は、特に飽和磁気誘導および透磁率に関して純粋な鉄の磁気性能値に近いものを得ることを可能にし、同時に、純粋な鉄よりも少なくとも２倍または３倍大きい電気抵抗率を有することを可能し、それは、第２の磁気力が部片１０に印加されるとき渦電流に起因するエネルギー損失を制限することを可能にする。

金属射出成形法による可動部品６の製造は、特に、可動部品６と同様に小さい部品を製造するのに、例えば、鉄−ケイ素合金の場合満足な結果をもたらさない機械加工または旋削による既知の成形技法によるよりも容易に鉄−ケイ素合金で可動部品６を製造することを可能にする。

図４は、可動部品６の別の実施形態に対応する可動部品６’を示す。可動部品６と同様の可動部品６’の要素は、記号’の追加を伴って同じ参照記号を有し、上述の説明がそれらに移されることができる限り、詳細には説明されない。可動部品６’は、特に、可動部品６の代わりにアクチュエータ２の内部に統合化されることができる。

可動部品６’は、特に、可動部品６’の切欠き３０’が半径方向に向けられていない点で可動部品６と異なる。逆に、切欠き３０’は、ここでは、可動部品６’の中央幾何学面の両側に配設され、この平面に垂直に、平行方向に沿って並べられる。中央面は、図４において可動部品６’を示している断面に垂直であり、それゆえに、軸Ｚ２に平行である。

したがって、第１のグループの切欠き３０’は中央面の一方の側に配設され、第２のグループの切欠き３０’は中央面の他方の側に配設される。

切欠き３０’の数は、好ましくは、第１のグループおよび第２のグループの各々において同じである。例えば、中央面は、可動部品６’の対称面である。

実施形態によれば、第１のグループおよび第２のグループの各々における切欠き３０’の数は、２個以上および６個以下である。実際には、切欠き３０’の数および寸法は、可動部品６’を製造する方法および特に離型制約に依存する。図示の例では、第１グループおよび第２のグループの各々は４つの切欠き３０’を含む。

例えば、可動部品６’は、可動部品６と同じ材料で、および可動部品６と同様の製造方法に従って製造される。

中央面の同じ側に位置を定められる切欠き３０’のそれぞれの内側端縁部３４は、好ましくは、中央面から同じ距離に並べられ位置を定められる。周囲縁部３２の円形形状の結果として、内側端縁部３４が同じ軸に沿って並べられている切欠き３０’は、この場合、異なる長さＬ３０’を有することができる。

図４において、参照記号「ＬＡ」は、第１のグループの切欠き３０’の内側端縁部３４と第２のグループの切欠き３０’の内側端縁部３４との間の距離を指し示す。距離ＬＡは、ここでは、可動部品６’の直径の５％以上および可動部品６’の直径の３０％以下である。

実際には、切欠き３０’の長さＬ３０’の最大値、２つの連続する切欠き３０’の間の間隔Ｗ３０’、および切欠き３０’の幅ｌ３０’などの切欠き３０’の寸法は、特に、渦電流が進む等価経路の長さを増加させることおよび可動部品６’のインダクタンス値の最適化することを目的に、可動部品６と同様の方法で選ばれる。図５は、回路遮断器、または接触器、または継電器、または任意の他の等価のデバイスなどの電気スイッチング・デバイス４０を示す。

デバイス４０は、電流入力／出力接続端子４１と、分離可能な電気接点４２と、スイッチング機構４４と、アクチュエータ２とを含む。

分離可能な接点４２は、端子４１間に接続され、スイッチング機構４４の作動の下で、それぞれ、電流の循環を阻止または許可するために、開状態と閉状態との間を切り替えることができる。

アクチュエータ２は、例えばトリップデバイスによってまたはデバイス４０の外部の制御ユニットによって供給される制御信号に応じて分離可能な接点４２の開放をトリップさせるように、スイッチング機構４４に結合される。

上述で意図された実施形態および変形は、新しい実施形態を生成するように一緒に組み合わされることができる。

２ 電磁アクチュエータ
４ 固定本体
６、６’ 可動部品
８ 磁気励磁回路
１０ 磁性片
１２ コイル
１４ 部片
１６ 弾性復帰構成要素
１８ 可動ヘッド
２０ 二次的な復帰構成要素
２２、２４ 部品
２６ ベース板
３０、３０’ 切欠き
３２ 周囲縁部
３４ 内側端縁部
４０ 電気スイッチング・デバイス
４１ 電流入力／出力接続端子
４２ 電気接点
４４ スイッチング機構
Ｚ２ 長手軸
Ｌ３０、Ｌ３０’ 切欠きの長さ
ｌ３０、ｌ３０’ 切欠きの幅
Ｒ６ 可動部品の半径
ｗ３０ 切欠きの向かい合わせの縁部間の角度
ＬＡ 第１のグループの切欠きの内側端縁部と第２のグループの切欠きの内側端縁部との間の距離

Claims (10)

1. 固定本体（４）と、
   前記アクチュエータの磁気コアを形成し、後退位置と展開位置との間で前記固定本体（４）に対して平行移動で移動可能である可動部品（６；６’）と、
   前記後退位置において前記可動部品を保持する第１の磁気力を生成するように調節された永久磁石を形成する磁性片（１０）と、
   コイル（１２）が電気励磁電流を供給されたとき、前記第１の磁気力とは反対の第２の磁気力を発生させるように調節された前記コイル（１２）と
   を含み、
   前記可動部品（６；６’）が、前記可動部品（６；６’）の本体に形成された１つまたは複数の切欠き（３０；３０’）を含むことを特徴とする、
   電磁アクチュエータ（２）。
2. 前記可動部品（６；６’）が、鉄−ケイ素合金で製作されることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記合金におけるケイ素の質量濃度が、２％以上および６．５％以下、好ましくは、２．５％以上および３．５％以下であることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記可動部品（６；６’）が金属射出成形法により製造されることを特徴とする請求項２または３に記載のアクチュエータ。
5. 各切欠き（３０）が、前記可動部品（６）の中心に対して半径方向に配設されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
6. 切欠き（３０）の数が、１個と１０個との間にあり、好ましくは４個であることを特徴とする請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 切欠き（３０）の向かい合わせの縁部間の角度（ｗ３０）が、５°以上および５０°以下であることを特徴とする請求項５または６に記載のアクチュエータ。
8. 前記可動部品（６）の半径（Ｒ６）が、３ｍｍ以上および１０ｍｍ以下であり、半径方向切欠き（３０）の長さ（Ｌ３０）が、前記半径の３０％以上および前記半径の９０％以下であることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
9. 前記切欠き（３０’）が、前記磁性片（６’）の中央幾何学面の両側に配設され、この平面に垂直に並べられることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
10. スイッチング機構（４４）と、前記スイッチング機構に結合された電磁アクチュエータとを含む電気スイッチング・デバイス（４０）であって、前記電磁アクチュエータ（２）が請求項１から９のいずれか一項に記載のものであることを特徴とする電気スイッチング・デバイス（４０）。