JP2022102006A - 電磁操作機構 - Google Patents
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Abstract
【課題】永久磁石からアーマチャを経由することなくヨークに至る磁束を抑制し、永久磁石からアーマチャを経由してヨークに至る磁束を増加させる技術が適用された電磁操作機構を提供する。【解決手段】実施形態によれば、アーマチャ15をヨーク14に離接させることで、一対の電極5a,5bを離接させる電磁操作機構3であって、アーマチャを経由してヨークに至る第1磁路17aを形成する磁束、及び、アーマチャを経由することなくヨークに至る第2磁路17bを形成する磁束を発生させる磁石と、磁石からアーマチャを経由することなくヨークに至る磁束を抑制する磁束抑制機構19と、を有する。【選択図】図1
Description
この発明の実施形態は、電磁操作機構に関する。
ビルや大型施設に設けられる受配電用の開閉装置として、例えば、遮断器や断路器などの開閉器を具備したスイッチギヤが知られている。スイッチギヤでは、開閉器の構成要素として真空バルブが適用され、真空バルブによって事故電流の遮断や負荷電流の開閉を行うことで、電力が安定して供給される。
真空バルブは、離接可能な一対の電極を有し、これらの電極は、電磁操作機構によって離接(開閉)操作される。電磁操作機構は、ヨークの内部に、例えば、開路コイル、閉路コイル、永久磁石、アーマチャなどを備えて構成されている。ヨーク及びアーマチャは、空気よりも透磁率の高い材料(例えば、鉄、電磁鋼板)で構成されている。この構成によれば、コイルに通電して磁束を発生させ、その際に得られる磁力によって一対の電極を離接(開閉)させる。
例えば、開路した電極を閉路させる場合、閉路コイルに通電して永久磁石と同じ向きの磁束を発生させ、電極同士を接触させる方向にアーマチャを変位させる。そして、アーマチャとヨークとが相互に接触したとき、閉路コイルの通電を停止する。このとき、永久磁石の磁束が、アーマチャとヨークを介して閉ループを形成する。これにより、アーマチャとヨークとの間に、アーマチャをヨークに吸引させる方向への磁力が生じる。この結果、アーマチャとヨークとは、互いに密着した状態に維持される。かくして、一対の電極が、相互に接触した閉路状態に保持される。
ところで、開路した電極を閉路させる際に、アーマチャがヨークに接触するまでの間、永久磁石から発生した磁束は、ヨークの内部において、大別して2つのループ状の磁路(例えば、第1磁路、第2磁路)を成して形成される。第1磁路を形成する磁束は、永久磁石からアーマチャを経由してヨークに至る。第2磁路を形成する磁束は、永久磁石からアーマチャを経由することなくヨークに至る。
この場合、第2磁路を形成する磁束は、アーマチャをヨークに吸引させる方向への磁力の発生に寄与しない。このため、第2磁路の磁束の分量だけ閉路コイルの磁束(即ち、起磁力)を増加させる必要がある。そこで、閉路コイルによる磁束を低減すべく、第2磁路の磁束を抑制し、第1磁路の磁束を増加させる技術が求められるところ、現在、そのような技術は知られていない。
本発明の目的は、永久磁石からアーマチャを経由することなくヨークに至る磁束を抑制し、永久磁石からアーマチャを経由してヨークに至る磁束を増加させる技術が適用された電磁操作機構を提供することにある。
実施形態によれば、アーマチャをヨークに離接させることで、一対の電極を離接させる電磁操作機構であって、アーマチャを経由してヨークに至る第1磁路を形成する磁束、及び、アーマチャを経由することなくヨークに至る第2磁路を形成する磁束を発生させる磁石と、磁石からアーマチャを経由することなくヨークに至る磁束を抑制する磁束抑制機構と、を有する。
「一実施形態」
図1及び図2には、スイッチギヤの開閉器1(例えば、遮断器、断路器)に適用された真空バルブ2の開閉操作を行う電磁操作機構3が示され、図1は開路状態図、図2は閉路状態図である。図1及び図2の例において、開閉器1は、真空バルブ2と、連結機構4と、電磁操作機構3と、を有している。真空バルブ2と電磁操作機構3とは、連結機構4によって相互に連結されている。
図1及び図2には、スイッチギヤの開閉器1(例えば、遮断器、断路器)に適用された真空バルブ2の開閉操作を行う電磁操作機構3が示され、図1は開路状態図、図2は閉路状態図である。図1及び図2の例において、開閉器1は、真空バルブ2と、連結機構4と、電磁操作機構3と、を有している。真空バルブ2と電磁操作機構3とは、連結機構4によって相互に連結されている。
図1及び図2に示すように、真空バルブ2は、離接可能な一対の電極(固定電極5a、可動電極5b)と、これらの電極5a,5bを収容する絶縁容器6と、を有している。一対の電極5a,5bは、例えば、銅、アルミニウム、クロムなどの導電材で構成されている。絶縁容器6は、絶縁材(例えば、セラミック)で筒状に構成されている。
固定電極5aは、開閉器1に固定された固定通電軸7aに接続されている。可動電極5bは、固定電極5aに対向するように可動通電軸7bに接続されている。固定通電軸7a及び可動通電軸7bは、例えば、銅、アルミニウム、クロムなどの導電材で構成されている。可動通電軸7bは、連結機構4(後述する支持軸11)に連結されている。
連結機構4は、フォルダ8と、ワイプばね9と、支持体10と、支持軸11と、開路ばね12と、連結軸13と、を有している。
フォルダ8内には、収容部8pが設けられ、この収容部8pに、ワイプばね9及び支持体10が収容されている。ワイプばね9は、例えば、圧縮コイルばねで構成され、その一端が収容部8pに固定され、その他端が支持体10に固定されている。
支持体10は、常に、ワイプばね9の付勢力が作用し、フォルダ8のフランジ部8fに対して弾性的に当接した状態に維持されている。支持体10には、ワイプばね9の付勢方向に沿って延出した支持軸11が連結され、支持軸11の延出端に、上記した可動通電軸7bが連結されている。
フォルダ8には、フランジ部8fの反対側に、連結軸13が設けられ、連結軸13は、電磁操作機構3(後述する操作軸16)に連結されている。なお、連結軸13には、開路ばね12(例えば、圧縮コイルばね)を支持する台座部13pが設けられている。これにより、例えば、閉路した電極を開路させる際に、開路ばね12の付勢力を、台座部13pから連結軸13を介して電磁操作機構3(後述する操作軸16)に作用させることができる。
電磁操作機構3は、ヨーク14と、アーマチャ15と、操作軸16と、永久磁石17と、コイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)と、磁束抑制機構19と、を有している。ヨーク14及びアーマチャ15は、空気よりも透磁率の高い材料(例えば、鉄、電磁鋼板)で構成されている。
図1及び図2の例において、ヨーク14は、開閉器1に固定された内ヨーク14aと、外ヨーク14bと、から構成され、外ヨーク14bは、内ヨーク14aの外側を覆うように配置されている。永久磁石17、コイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)、磁束抑制機構19は、内ヨーク14aと外ヨーク14bとで囲まれた領域(即ち、ヨーク14の内部)に配置されている。
内ヨーク14aの内側には、真っ直ぐに延在した1本の操作軸16が往復動可能に設けられている。操作軸16の一端側には、上記した連結機構4の連結軸13が連結され、操作軸16の他端側には、アーマチャ15が連結されている。アーマチャ15は、軸支部15pと、フランジ部15fと、を備えている。軸支部15pは、操作軸16を堅牢に支持している。フランジ部15fは、軸支部15pから操作軸16に直交する方向に沿って、例えば放射状に突出している。なお、操作軸16が連結されたアーマチャ15は、図示しないストッパによって移動範囲が規制され、ヨーク14からの脱落防止が図られている。
内ヨーク14aは、操作軸16の往復動方向で見て、互いに平行に配置された両端面(第1ヨーク当接面S1、第1ヨーク固定面F1)を有している。第1ヨーク当接面S1は、アーマチャ15の軸支部15pに対向して構成されている。アーマチャ15の軸支部15pには、第1ヨーク当接面S1に対向した第1アーマチャ当接面T1が構成されている。この構成によれば、アーマチャ15をヨーク14に向けて前進(接近)させることで、第1アーマチャ当接面T1を第1ヨーク当接面S1に面状に当接させることができる。
外ヨーク14bは、アーマチャ15のフランジ部15fの外側から内ヨーク14aの外側を通って、第1ヨーク固定面F1に対向しつつ、上記した操作軸16に対して非接触となる位置まで延在している。図1及び図2の例において、永久磁石17は、第1ヨーク固定面F1に隣接して設けられ、この状態において、外ヨーク14bの内上面M1と第1ヨーク固定面F1との間で挟持されている。
更に、外ヨーク14bには、その内側面M2から内ヨーク14a(具体的には、操作軸16を支持する軸支部15p)に向かって支持部14pが突出している。コイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)、磁束抑制機構19は、この支持部14pと外ヨーク14bと内ヨーク14aとで囲まれた空間に収容されている。
即ち、支持部14pには、外ヨーク14bの内上面M1に対向した支持面M3が設けられている。内ヨーク14aには、外ヨーク14bの内側面M2に対向した外側面M4が設けられている。コイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)、磁束抑制機構19は、内上面M1と内側面M2と支持面M3と外側面M4とで囲まれた領域に収容されている。
図1及び図2の例において、閉路コイル18aと開路コイル18bとは、操作軸16の往復動方向に沿って互いに整列して配置されている。閉路コイル18aは、外ヨーク14bの内上面M1と内ヨーク14aの外側面M4に隣接して配置されている。開路コイル18bは、支持部14pの支持面M3と閉路コイル18aに隣接して配置されている。換言すると、開路コイル18bは、支持部14pの支持面M3と閉路コイル18aとの間で挟持されている。
更に、図1及び図2の例において、支持部14pは、支持面M3の反対側に、第2ヨーク当接面S2を有している。第2ヨーク当接面S2は、アーマチャ15のフランジ部15fに対向して構成されている。アーマチャ15のフランジ部15fには、第2ヨーク当接面S2に対向した第2アーマチャ当接面T2が構成されている。この構成によれば、アーマチャ15をヨーク14に向けて前進(接近)させることで、第2アーマチャ当接面T2を第2ヨーク当接面S2に面状に当接させることができる。
上記した構成によれば、アーマチャ15を往復動させると、このときの往復運動が操作軸16から連結軸13を介して連結機構4に伝達され、連結機構4を往復動させる。これにより、支持体10(支持軸11)に連結された可動通電軸7bを動作させる。この結果、可動電極5bを固定電極5aに対して離接(開閉)操作することができる。
この場合、一対の電極5a,5bが離間した開路状態(図1参照)において、第1アーマチャ当接面T1と第1ヨーク当接面S1との隙間(ギャップ)と、第2アーマチャ当接面T2と第2ヨーク当接面S2との隙間(ギャップ)とは、操作軸16の往復動方向で見て、互いに同一寸法に設定されている。
これにより、開路した一対の電極5a,5bを互いに接触させた閉路状態(図2参照)に移行させる際に、アーマチャ15をヨーク14に向けて前進(接近)させることで、第1及び第2アーマチャ当接面T1,T2を第1及び第2ヨーク当接面S1,S2に対して同時に面状に当接させることができる。
ところで、上記したような構成によれば、電磁操作機構3の内部において、閉路コイル18a及び開路コイル18bへの通電の有無に関わらず、永久磁石17から発生した磁束は、大別して2つのループ状の磁路(例えば、第1磁路17a、第2磁路17b)を成して形成される。第1磁路17aを形成する磁束は、永久磁石17からアーマチャ15を経由してヨーク14に至る。第2磁路17bを形成する磁束は、永久磁石17からアーマチャ15を経由することなくヨーク14に至る。
磁束抑制機構19は、第2磁路17bを形成する磁束、即ち、永久磁石17からアーマチャ15を経由することなくヨーク14に至る磁束を抑制するように構成されている。図1及び図2の例において、磁束抑制機構19は、互いに整列した閉路コイル18a及び開路コイル18bに隣接して配置されている。この状態で、磁束抑制機構19は、外ヨーク14bの内上面M1及び内側面M2と支持部14pの支持面M3に隣接して配置されている。
磁束抑制機構19は、第2磁路17bを横断する方向に延在した磁気抵抗部19pを有している。磁気抵抗部19pは、第2磁路17bを形成する磁束がコイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)を透過する方向において、当該コイル18の外側に隣接して配置されている。磁気抵抗部19pの磁気抵抗は、第1磁路17aの磁気抵抗よりも高く設定されている。
ここで、磁気抵抗部19pの透過率をμ、面積をS、厚さをdとすると、磁気抵抗部19pの磁気抵抗Rは、R=μ×d/Sなる関係式に基づいて設定することができる。なお、面積Sは、第2磁路17bを形成する磁束に直交する磁気抵抗部19pの面(例えば、外ヨーク14bの内側面M2に接触する磁気抵抗部19pの面、或いは、コイル18に接触する磁気抵抗部19pの面、具体的には内ヨーク14aの外側面M4に対向する磁気抵抗部19pの面)の面積を指す。厚さdは、第2磁路17bを形成する磁束が透過する方向(具体的には、互いに対向した内ヨーク14aの外側面M4と外ヨーク14bの内側面M2の双方に直交する方向)における磁気抵抗部19pの厚さ(肉厚、距離)を指す。
更に、磁気抵抗部19pは、例えば、ステンレス、樹脂などの導電性を有する非磁性材料で構成することができる。非磁性材料で磁気抵抗部19pを構成する場合、当該磁気抵抗部19pを複数に分割し、その分割した個々の磁気抵抗部19pを絶縁物(例えば、ゴム、ビニール)で被覆することが好ましい。これにより、各磁気抵抗部19pが電気的に絶縁され、その結果、誘導電流の通電を防止することができる。
上記した一対の電極5a,5bは、このような電磁操作機構3によって離接(開閉)操作される。
例えば、アーマチャ15をヨーク14に吸引させる方向(図2の点線矢印L参照)への磁力が生じている閉路状態(図2参照)から電極5a,5bを開路させる場合、開路コイル18bに通電して永久磁石17と逆向きの磁束(図示しない)を発生させる。そうすると、開路コイル18bからヨーク14及びアーマチャ15を経由して、永久磁石17とは逆向きの磁束が印加される。
例えば、アーマチャ15をヨーク14に吸引させる方向(図2の点線矢印L参照)への磁力が生じている閉路状態(図2参照)から電極5a,5bを開路させる場合、開路コイル18bに通電して永久磁石17と逆向きの磁束(図示しない)を発生させる。そうすると、開路コイル18bからヨーク14及びアーマチャ15を経由して、永久磁石17とは逆向きの磁束が印加される。
これにより、アーマチャ15をヨーク14に吸引させる方向Lへの永久磁石17の磁力が低下する。そして、当該磁力が開路ばね12の付勢力を下回ったとき、開路ばね12の付勢力が、台座部13pから連結軸13を介して、電磁操作機構3(即ち、操作軸16)に作用する。この結果、アーマチャ15がヨーク14から後退(離間)する。かくして、電極5a,5b同士が離間した開路状態(図1参照)となる。
一方、開路した電極5a,5bを閉路させる場合、閉路コイル18aに通電して永久磁石17と同じ向きの磁束を発生させる。そうすると、アーマチャ15がヨーク14に接触するまでの間、永久磁石17から発生した磁束は、ヨーク14の内部において、大別して2つのループ状の磁路(第1磁路17a、第2磁路17b)を成して形成される。
第1磁路17aを形成する磁束は、永久磁石17からアーマチャ15を経由してヨーク14に至る。第2磁路17bを形成する磁束は、永久磁石17からアーマチャ15を経由することなくヨーク14に至る。図1及び図2の例において、第2磁路17bを形成する磁束は、永久磁石17から内ヨーク14及び閉路コイル18aを透過して、外ヨーク14bに向かおうとする。
このとき、第2磁路17bを形成する磁束は、上記した磁束抑制機構19(即ち、磁気抵抗部19p)によって抑制され、外ヨーク14bに至ることはない。換言すると、アーマチャ15をヨーク14に吸引させる方向への磁力の発生に寄与しない第2磁路17bを形成する磁束が抑制される。
これにより、第1磁路17aの磁束が増加する。この結果、アーマチャ15がヨーク14に接触するまでの間、永久磁石17からアーマチャ15を経由してヨーク14に至る第1磁路17aを形成する磁束のみが発生する。かくして、電極5a,5b同士を接触させる方向へアーマチャ15を変位させることができる。
以上、本実施形態によれば、第2磁路17bを横断する方向に延在した磁気抵抗部19pを設けたことで、開路した電極5a,5bを閉路させる際に、アーマチャ15をヨーク14に吸引させる方向への磁力の発生に寄与しない磁束(即ち、第2磁路17bを形成する磁束)を抑制することができる。これにより、永久磁石17からアーマチャ15を経由してヨーク14に至る磁束(即ち、第1磁路17aを形成する磁束)を増加させることができる。この結果、閉路コイル18aの磁束(即ち、起磁力)を増加させることなく、効率よく、アーマチャ15をヨーク14に前進(接近)させて、電極5a,5b同士が接触した閉路状態とすることができる。
「第1変形例」
上記した実施形態では、磁気抵抗部19pを、コイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)の外側に隣接させて配置する場合を想定したが、これに代えて、本変形例において、図3に示すように、磁気抵抗部19pは、第2磁路17b(図1参照)を形成する磁束がコイル18を透過する方向において、当該コイル18の内側に隣接して配置されている。
上記した実施形態では、磁気抵抗部19pを、コイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)の外側に隣接させて配置する場合を想定したが、これに代えて、本変形例において、図3に示すように、磁気抵抗部19pは、第2磁路17b(図1参照)を形成する磁束がコイル18を透過する方向において、当該コイル18の内側に隣接して配置されている。
本変形例によれば、上記した実施形態と同様の効果を実現することができる。なお、その他の構成は、上記した実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
「第2変形例」
上記した実施形態及び変形例では、磁気抵抗部19pを、非磁性材料で構成する場合を想定したが、これに代えて、本変形例において、図4に示すように、磁気抵抗部19pは、物の存在しない3次元の空間で構成されている。磁気抵抗部19pの配置としては、上記した実施形態と同様に、コイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)の外側に隣接して配置する場合、或いは、上記した第1変形例と同様に、当該コイル18の内側に隣接して配置する場合のいずれでもよい。この場合、空間は、比透磁率が1となるような空気などの気体で満たされている。
上記した実施形態及び変形例では、磁気抵抗部19pを、非磁性材料で構成する場合を想定したが、これに代えて、本変形例において、図4に示すように、磁気抵抗部19pは、物の存在しない3次元の空間で構成されている。磁気抵抗部19pの配置としては、上記した実施形態と同様に、コイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)の外側に隣接して配置する場合、或いは、上記した第1変形例と同様に、当該コイル18の内側に隣接して配置する場合のいずれでもよい。この場合、空間は、比透磁率が1となるような空気などの気体で満たされている。
本変形例によれば、空間である磁気抵抗部19pの磁気抵抗を高くすることができる。これにより、誘導電流が流れない磁気抵抗部19pを実現することができる。この結果、上記した実施形態と同様の効果を実現することができる。なお、その他の構成は、上記した実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
「第3変形例」
上記した実施形態及び各変形例では、磁気抵抗部19pを、コイル18とは別途独立させて構成する場合を想定したが、これに代えて、本変形例において、図5に示すように、磁気抵抗部19pは、コイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)を、図示しない絶縁材(例えば、ゴム、ビニール)で被覆して構成されている。
上記した実施形態及び各変形例では、磁気抵抗部19pを、コイル18とは別途独立させて構成する場合を想定したが、これに代えて、本変形例において、図5に示すように、磁気抵抗部19pは、コイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)を、図示しない絶縁材(例えば、ゴム、ビニール)で被覆して構成されている。
磁気抵抗部19pの構成方法としては、特に図示しないが、例えば、非磁性の銅やアルミニウムなどで形成された線材と、絶縁材とを用意する。第1の構成方法において、予め設定された回数だけ線材を巻回してコイル18(閉路コイル18a、開路コイル18b)を構成した後、当該コイル18の表面全体を絶縁材で被覆する。第2の方法において、線材の表面全体を絶縁材で被覆した後、当該絶縁材で被覆された線材を、予め設定された回数だけ巻回してコイル18を構成する。
いずれの構成方法で構成した磁気抵抗部19pも、その磁気抵抗Rは、上記した実施形態と同様に、R=μ×d/Sなる関係式に基づいて設定することができる。更に、磁気抵抗部19pの比透磁率は略1となるため、高い磁気抵抗を実現することができる。
本変形例によれば、上記した実施形態と同様の効果を実現することができる。なお、その他の構成は、上記した実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
以上、本発明の一実施形態及びいくつかの変形例を説明したが、これらの実施形態及び変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態及び変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…開閉器、2…真空バルブ、3…電磁操作機構、4…連結機構、5…電極、5a…固定電極、5b…可動電極、6…絶縁容器、7a…固定通電軸、7b…可動通電軸、8…フォルダ、8p…収容部、8f…フランジ部、9…ワイプばね、10…支持体、11…支持軸、12…開路ばね、13…連結軸、13p…台座部、14…ヨーク、14a…内ヨーク、14b…外ヨーク、14p…支持部、15…アーマチャ、15p…軸支部、15f…フランジ部、16…操作軸、17…永久磁石、17a…第1磁路、17b…第2磁路、18…コイル、18a…閉路コイル、18b…開路コイル、19…磁束抑制機構、19p…磁気抵抗部、F1…第1ヨーク固定面、S1…第1ヨーク当接面、S2…第2ヨーク当接面、T1…第1アーマチャ当接面、T2…第2アーマチャ当接面、M1…内上面、M2…内側面、M3…支持面、M4…外側面。
Claims (7)
- アーマチャをヨークに離接させることで、一対の電極を離接させる電磁操作機構であって、
前記アーマチャを経由して前記ヨークに至る第1磁路を形成する磁束、及び、前記アーマチャを経由することなく前記ヨークに至る第2磁路を形成する磁束を発生させる磁石と、
前記磁石から前記アーマチャを経由することなく前記ヨークに至る磁束を抑制する磁束抑制機構と、を有する電磁操作機構。 - 前記磁束抑制機構は、前記第2磁路を横断する方向に延在した磁気抵抗部を有し、
前記磁気抵抗部の磁気抵抗は、前記第1磁路の磁気抵抗よりも高く設定されている請求項1に記載の電磁操作機構。 - 前記ヨークの内部に、一対の前記電極を離接させる際に通電されるコイルを有し、
前記磁気抵抗部は、前記第2磁路を形成する磁束が前記コイルを透過する方向において、前記コイルの外側に隣接して配置されている請求項2に記載の電磁操作機構。 - 前記ヨークの内部に、一対の前記電極を離接させる際に通電されるコイルを有し、
前記磁気抵抗部は、前記第2磁路を形成する磁束が前記コイルを透過する方向において、前記コイルの内側に隣接して配置されている請求項2に記載の電磁操作機構。 - 前記磁気抵抗部は、非磁性材料で構成されている請求項2に記載の電磁操作機構。
- 前記磁気抵抗部は、空間で構成されている請求項2に記載の電磁操作機構。
- 前記ヨークの内部に、一対の前記電極を離接させる際に通電されるコイルを有し、
前記磁気抵抗部は、前記コイルを絶縁材料で被覆して構成されている請求項2に記載の電磁操作機構。
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