JP4328185B2

JP4328185B2 - 電磁石

Info

Publication number: JP4328185B2
Application number: JP2003388836A
Authority: JP
Inventors: 豊久鶴田; 利眞深井; 陽西島; 徹谷水
Original assignee: Japan AE Power Systems Corp
Current assignee: Japan AE Power Systems Corp
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: JP2005150579A

Description

本発明は中央脚部先端部と接触するプランジャーの始動開始位置を改良した電磁石に関する。

従来の例えば特許文献１の電磁石においては、固定鉄心内に磁束を発生するコイルを配置している。この電磁石での動作速度はコイルの巻数に依存している。
即ち、始動時にコイルに電圧を印加しても、コイル巻線のインダクタンスにより電流が時間的に遅れながら増加する。電磁石の吸引力は電流により発生するので、吸引力は電流より遅れながら増加する。動作開始後の吸引力増加が遅れると動作に力がなく動作速度が遅くなる。このため、電磁石の動作速度は電流の増加に、言い換えれば、コイルの巻数に依存している。
特開２００２−８４９８号公報（要約）

高速動作に適した電磁石を欲する時、この電流の増加率を向上させるために、コイルの巻数を減少させてインダクタンスを小さくする必要があり、コイルの所要起磁力（電流×巻数）を得るためにはコイルに大きな電流を流す必要がある。この大きな電流を流すためには、大きな電源、大きなケーブル、抵抗を小さくする大きな断面積のコイル巻線、大きな断面積のコイル巻線を収納する大きなスペースを持つ鉄心、更に、磁気抵抗面から長い磁路長に対応する大きな断面を持つ鉄心など、大電流で且つ大型化された電磁石にしなければならない。

一方、従来の電磁石はコイルに電圧を印加してから初動までの時間は、上記動作条件により殆ど定まり、微調整でも始動負荷力を変更する以外にないと思われている。このため、コイルに電圧を印加してから初動までの時間を長くしたい用途、例えば、遮断器の遮断操作などでは、遮断部が直流分の大きな短絡電流（正弦波電流）、言い換えれば減衰の少ない大きな短絡電流を遮断しなければならず、大型の遮断器になっていた。

更に、従来の電磁石は電圧の変動に対し、電流が変化して動作速度が変化する。その変化は電圧の変動にほぼ比例して動作速度が変わる。このため、動作速度の変動巾の少ない
ことが望まれる用途、例えば遮断器の投入、及び遮断操作があり、最高動作速度と最低動作速度の条件の差が大きいと、巾広い条件に対応するために裕度を大きくしなければならず、大型、高コストになっていた。

本発明の目的は、小電流で、且つ吸引力を大きくし、プランジャーを高速動作させることができる小型化された電磁石を提供することにある。

第１鉄心部と第２鉄心部と、前記第１鉄心部及び第２鉄心部の間に配置された複数の側脚部と、前記側脚部間の第１鉄心部に設けられた第１鉄心部から第２鉄心部方向に伸びる中央鉄心脚部とを備えた固定鉄心と、前記中央鉄心脚部と対向する第２鉄心部に設けられた通路部内に位置し、且つ中央鉄心脚部先端部に吸引力により接離するプランジャーと、前記固定鉄心内に配置された前記プランジャーを駆動させる磁束発生手段とを有する電磁石において、
前記第２鉄心４に、この第２鉄心４の内側面４Ｂより前記通路部８にかけて傾斜面４Ｃを形成すると共に、前記プランジャー７の始動開始位置を、前記通路部８と傾斜面４Ｃにて形成された角部４Ｄ付近としたことを特徴とする。

即ち、中央脚部を長くし、プランジャーの始動開始位置を下部鉄心部近傍にして、始動時に、電磁石の吸引力にならない漏洩磁束を多く発生させ、吸引力になる有効磁束を減らした構造により、始動時の始動電流がコイルの最高電流の７０％以上の値になるまで始動を遅延させる。

更に下部鉄心部に面取り、つまり傾斜面を形成し、始動後に起磁力が大きくなるまで蓄えた漏洩磁東が速やかに有効磁束に変える構造とすることにより、始動までに蓄えた漏洩磁束が速やかに有効磁束に変わり大きな吸引力を得ることができるので、小電流で、且つ吸引力を大きくし、プランジャーを高速動作させることができる電磁石を得ることができる。

一方、コイルに電圧を印加してから初動までの時間は、有効磁束の量の加減で大きな調整を、そして、微調整は始動力を変更することにより、大きな幅の遅延調整を可能とすることができる。

更に、電圧変動に関わらず、一定の始動電流で始動し、始動後は速やかに有効磁束に変わる漏洩磁束を使用するため、電圧変動による動作速度の変化率が小さくできる。

本発明の電磁石によれば、動作にはコイル巻線のインダクタンスに依存しないので、所要起磁力に対し巻数を多くして電流を減少させることができる。小電流で、且つ小型で高速動作する電磁石を欲する時、この電流の減少により、小さな電源、小さなケーブル、抵抗を大きくしてもよい小さな断面積のコイル巻線、小さな断面積のコイル巻線を収納する小さなスペースを持つ鉄心、更に、磁気抵抗面から短い磁路長に対応する小さな断面を持つ鉄心など、小電流で、且つ小型化された小電流遅延高速動作電磁石を製作することができる。

本発明の電磁石は、コイルに電圧を印加してから初期動作までの時間を調整できるため、調整したい用途、例えば、遮断器の遮断操作などでは、遅延動作開始により遮断部が直流分の小さな減衰した短絡電流を遮断すればよくなり、約２０％直流分を低減でき、小型化された遮断器にできる。

更に、従来の電磁石より電圧変動による動作速度の変化率を小さくできる。このため、動作速度の変動幅の少ないことが望まれる用途、例えば遮断器の投入遮断操作で狭い動作速度条件に対応できるので、裕度を少なくでき、小型、低コストにできる。

本発明に係わる第１の実施例について、図１に示す電磁石１の断面図を用いて説明する。図２は図１の詳細部分断面図である。

固定鉄心２は、互いに対向する上部鉄心部３と下部鉄心部４との間に複数の側脚部５Ａ，５Ｂを配置し、側脚部５Ａと側脚部５Ｂとの間の上部鉄心部３から下部鉄心部４方向に伸びる中央鉄心脚部６を上部鉄心部３に設けている。中央鉄心脚部６と対向する下部鉄心部４にプランジャー７が通過する通路部８を設け、プランジャー７は通路部８を貫通して中央脚部先端部６Ａに接離する。

プランジャー７の上端部及び下端部にはロッド７Ａ及び７Ｂを設け、上部ロッド７Ａは中央鉄心脚部６及び上部鉄心部３を貫通する貫通穴７Ｃに挿入されている。プランジャー７内に設けた貫通穴に付したネジ溝７Ｄを有する。上側ネジ溝７Ｄには上部ロッド７Ａが螺着され、また、下側ネジ溝7Ｄにはロッド7Ｂがボルト7Ｆを介して螺着される。その際、ロッド7Ｂには重り7Ｅが取付けられる。

固定鉄心２内にコイル１０を配置し、電磁石１を構成している。コイル１０の一部に永久磁石を挿入してもよい。要は磁束を発生する手段であればよい。通路部８は下部鉄心部４に形成されている。通路部８と対向する下部鉄心部端面４Ａの一部から中央鉄心脚部先端６Ａと対向する下部鉄心部内側面４Ｂにかけて傾斜面４Ｃ、および、下部鉄心部端面４Ａと傾斜面４Ｃの角部４Ｄを形成している。

プランジャー７の始動開始位置Ｓは下部鉄心部４近傍に配置する。この実施例では中央鉄心脚部先端部６Ａと対向する下部鉄心部内側面４Ｂより下側に配置している。ここで、下部鉄心部４近傍とは、中央鉄心脚部先端部６Ａと対向する下部鉄心部内側面４Ｂ位置付近から、角部４Ｄの位置付近までの範囲である。この範囲にプランジャー７の始動開始位置Ｓを設ける。

次に、本発明の電磁石１の動作について図３から図６により説明する。
始動開始位置Ｓにプランジャー７がセットされている。この状態で、コイル１０に通電すると、図３のように磁束Φ１は、下部鉄心部４−プランジャー７一中央鉄心脚部６一上部鉄心部３一側脚部５Ａ，５Ｂ一下部鉄心部４で形成された磁気回路を流れる。また漏洩磁束Φ２が傾斜面４Ｃに集められており、この集められた漏洩磁東Φ２が中央鉄心脚部６に漏れている。

この始動開始位置Ｓからプランジャー７が微少移動して図４になると、漏洩磁束Φ２は、下部鉄心部４一プランジャー７一中央鉄心脚部６一上部鉄心部３一側脚部５Ａ，５Ｂ一下部鉄心部４に形成された磁気回路を流れ始める。そして、図４の位置から図５の位置に至るまでの間に更に多くの漏洩磁束Φ２が、プランジャー７を介して流れ始め、漏洩磁束Φ２を磁束Φ１と同様な有効磁束に変更する。

即ち、始動時における始動電流がコイル１０の最高電流に対して７０％以上の値になるまで始動を遅延させるために、有効磁束を小さくし漏洩磁束を大きくする。また、始動力の大小は重り７Ｅの着脱により、始動開始力を変えることで微調整できる。この磁束を調整する構造とすることにより始動時の吸引力および時間を大きく調整できる。また、微調整には重り７Ｅの着脱によって始動力を変えることにより広く調整ができる。尚、図1における重り7Ｅは始動力を微調整するための例であり、この微調整にはばね等の他の手段を用いてもよい。

中央鉄心脚部６を長くし、プランジャー７の始動開始位置Ｓを下部鉄心４近傍にして、コイルスペースに漏洩磁束Φ２を発生させる。漏洩磁束Φ２はコイル１０のスペースの高さを高く、厚みを小さくすればするほど多くできる。更に中央鉄心脚部先端部６Ａから下部鉄心部４間の寸法がプランジャー７の動作寸法に対して同等以上の寸法にする下部鉄心部４の面取り、つまり傾斜面４Ｃ及び下部鉄心部４の懐部２０（図７を参照）を設けるなどの少なくとも１手法を使用して、中央鉄心脚部先端部６Ａ付近から下部鉄心４間の漏洩磁束Φ２を多く発生させる。

この漏洩磁束Φ２はプランジャー７の吸引力側には力が発生しない。吸引力になる有効磁束は中央鉄心脚部６とブラシジャー７間にある磁束Φ１で、漏洩磁束Φ２に比へ少量なため、定めた始動力になるためには、電流が所定値になるまで待たねばならない。具体的には始動時の始動電流がコイル１０の最高電流に対して７０％以上の値になるまで始動を遅延させる。

始動後、中央鉄心脚部先端部６Ａ付近から下部鉄心部４間に多く発生した漏洩磁束Φ２は、プランジャー７の移動によって磁気抵抗のバランスが変わり、より磁気抵抗が小さくなる中央鉄心脚部６とプランジャー７との間に流れを変更して、吸引力になる有効磁束に変化し、吸引力が増加する。このとき漏洩磁束Φ２が中央鉄心脚部６とプランジャー７との間に近いほど速やかに流れが変わる。

つまり、プランジャー７の始動開始位置Ｓを下部鉄心部近傍にしたり、下部鉄心部に傾斜面４Ｃの面取をしたり、下部鉄心部の懐部２０（図７参照）を設けたりすることにより、速やかに漏洩磁束Φ２の流れを変えることができるものである。

更に下部鉄心部４の漏洩磁束Φ２のプランジャー側への移動により、コイルスペースの漏洩磁束Φ２が順次下部鉄心部４の傾斜面４Ｃへ移動して漏洩磁束Φ２を補給する形になるので、途切れることなく、更に大きな吸引力をプランジャー７に発生できる。

このように、本発明の実施例１によれば、中央鉄心脚部先端部６Ａ付近から下部鉄心部４間に多く発生した漏洩磁束Φ２は、プランジャー７の移動によって磁気抵抗のバランスが変わり、より磁気抵抗が小さくなる中央鉄心脚部６とプランジャー７との間に流れを変更して吸引力になる有効磁束に変化し、吸引力が増加し、漏洩磁束Φ２を磁束Φ１である有効磁束に変え吸引力が増加した分だけ電磁石１を小型化することができる。

また、傾斜面４Ｃによりコイルスペースの漏洩磁束Φ２が順次下部鉄心部４の傾斜面４Ｃへ継続移動して漏洩磁東Φ２を補給する形になるので、途切れることなく、更に大きな吸引力をプランジャー７に発生できるので、更に電磁石を小型化することができる。

更に、プランジャー７の始動開始位置Ｓを角部４Ｄの位置付近に設けることにより、例えば遮断器が短絡電流を遮断する時点から遮断器の操作器が動作するまでの動作時間を所望時間に設定することができるので、短絡事故が負荷に拡大するのを防止することができる。

図６の電磁石１の通電時間Ｔと有効磁束量Φとの関係を示す磁気特性図により説明する。従来、電磁石の磁気特性図ΦＡは、コイル１０の最高電流の７０％付近における磁束量まではほぼ比例増加し、その後はプランジャー７の移動による磁気抵抗の減少に伴い、急増する。この場合、始動力に対応した有効磁束量になる始動時間ｔ１は比例増加領域にある。本発明の磁気特性図ΦＢは、漏洩磁束Φ２を蓄勢するため、有効磁束発生量が少なく、従来の有効磁束量と同等になる遅延させた時間ｔ２までゆっくりと増加し、遅延させた時間ｔ２以降は漏洩磁束Φ２が磁束Φ１に急激に変わるため、有効磁束量は急激に増加する特性になる。このことは遅延させた時間ｔ２になると、漏洩磁束Φ２はプランジャー７の移動によって磁気抵抗のバランスが変わり、より磁気抵抗が小さくなる中央鉄心脚部６とプランジャー７との間に流れを変更して、吸引力になる有効磁束に変化し、磁束Φ１が急激に増加し、吸引力を増加するものである。このため、本発明の磁気特性図ΦＢは従来技術の磁気特性図ΦＡに比べて磁束Φ１が急激に増加する特性図になっている。

この特性図より明らかなように、本発明の磁気特性図ΦＢの勾配αＢが磁気特性ΦＡの勾配αＡに比べてより大きいから、吸引力の変化に対応して動作速度が速くなることを示す。また遮断器を投入及び遮断操作する場合には、磁気特性図ΦＢの遅延時間ｔ２は磁気特性ΦＡの遅延時間ｔ１に比べて長いから、特に短絡電流遮断時などの直流分が減衰した小さな電流値で動作するようにできるので、電磁石及び遮断器の操作器等を小型化することができる。

更に、この実施例では中央鉄心脚部先端部６Ａを下部鉄心部内側面４Ｂ近傍まで延ばすことにより、例えば中央鉄心脚部先端部６Ａを上部鉄心部３と下部鉄心部４の中央までにしたのに比べて、プランジャー７の重量を軽減できるので、更に小さな吸引力でプランジャー７を駆動できる。

更に、この実施例では電磁石の印加電圧に関係なく、始動後の漏洩磁束Φ２を有効磁束Φ１に代えることにより吸引力の増加を得ているので、例えば遮断器の操作器などに使用した場合、操作電源変動による操作器の動作速度の変動を少なくできる。

次に第２の実施例を図７，８を用いて説明する。各図に示す様に中央脚部先端部６Ａと対向する下部鉄心部内側面４Ｂ近傍にプランジャー７の始動開始位置Ｓを設けると共に、通路部８の途中から中央鉄心脚部先端部６Ａと対向する出口にかけて通路部挿入口の直径Ｄ１より大きい直径Ｄ２を有する懐部２０を設ける。

懐部２０により、角部４Ｄ経由とプランジャー７の先端部経由の磁気抵抗の差が明確になり、磁束Φ１と漏洩磁束Φ２とを透過する通路を明確に区分できるようになり、電磁石の製作誤差による性能のばらつきを最小にすることができる。

以上のように、本発明によれば、蓄勢された漏洩磁束Φ２を磁束Φ１である有効磁束に変えるので、小電流で吸引力を増加し、小型化された電磁石、遮断器などを製作することができる。
つまり、小電流遅延高速動作電磁石を製作できる。

本発明の実施形態に係わる電磁石の縦断面図。図１に使用した電磁石の下部鉄心部近傍の部分断面図。図１の磁気回路における磁束分布を示す図。図３の磁気回路における磁束分布の進展状況を示す図。図４の磁気回路における磁束分布の進展状況を示す図。図１における電磁石のプランジャーの動作時間と磁束との関係を示す磁気特性図。本発明の他の実施形態に係わる磁束分布付き電磁石の縦断面図。図７の下部鉄心部とプランジャーとを断面した時の部分拡大縦断面図。

１…電磁石
２…固定鉄心
３…上部鉄心部
４…下部鉄心部
４Ａ…下部鉄心部端面
４Ｂ…下部鉄心部内側面
４Ｃ…傾斜面
４Ｄ…角部
５Ａ，５Ｂ…側脚部
６…中央鉄心脚部
６Ａ…中央鉄心脚部先端部
６Ｂ…直角部
７…プランジャー
７Ａ…上部ロッド
７Ｂ…下部ロッド
７Ｃ…貫通穴
８…通路部
１０…コイル
Ｓ…始動開始位置

Claims

第１鉄心部と第２鉄心部と、前記第１鉄心部及び第２鉄心部の間に配置された複数の側脚部と、前記側脚部間の第１鉄心部に設けられた第１鉄心部から第２鉄心部方向に伸びる中央鉄心脚部とを備えた固定鉄心と、前記中央鉄心脚部と対向する第２鉄心部に設けられた通路部内に位置し、且つ中央鉄心脚部先端部に吸引力により接離するプランジャーと、前記固定鉄心内に配置された前記プランジャーを駆動させる磁束発生手段とを有する電磁石において、
前記第２鉄心部４に、この第２鉄心部４の内側面４Ｂより前記通路部８にかけて傾斜面４Ｃを形成すると共に、前記プランジャー７の始動開始位置を、前記通路部８と傾斜面４Ｃにて形成された角部４Ｄ付近としたことを特徴とする電磁石。
前記第２鉄心部４の通路部８に、この通路部８の途中から前記中央鉄心脚部先端部側にかけて通路部８の直径よりも大とした懐部２０を形成したことを特徴とする請求項１記載の電磁石。