JP4483416B2 - Electromagnetic actuator, switch and switch using the same - Google Patents
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Description
この発明は、開閉装置の技術分野に属するものであり、遮断器や断路器といった開閉器の接点を駆動するための電磁アクチュエータに関するものである。 The present invention belongs to the technical field of switchgear and relates to an electromagnetic actuator for driving a contact of a switch such as a circuit breaker or a disconnecting switch.
開閉装置に用いられる開閉器(遮断器、断路器)の接点の駆動機構として、電磁アクチュエータが知られている。比較的に定格電圧の低い(主として24kV以下)真空遮断器では、接点ストロークが短く(例えば10mm以下)、電磁アクチュエータが多く採用されている。このような従来の電磁アクチュエータでは、磁性体からなる固定コアの内空間に往復運動可能な状態で配置された矩形状の可動鉄心と、この可動鉄心を駆動させるための駆動コイルと、この可動鉄心を駆動させないときに固定コアの上端もしくは下端のいずれかの磁極にて保持させるための永久磁石とを備えている(例えば、特許文献1参照。)。 An electromagnetic actuator is known as a drive mechanism for a contact of a switch (breaker, disconnector) used in a switchgear. In a vacuum circuit breaker having a relatively low rated voltage (mainly 24 kV or less), the contact stroke is short (for example, 10 mm or less), and many electromagnetic actuators are employed. In such a conventional electromagnetic actuator, a rectangular movable core disposed in a reciprocating manner in an inner space of a fixed core made of a magnetic material, a drive coil for driving the movable core, and the movable core And a permanent magnet that is held by the magnetic poles at either the upper end or the lower end of the fixed core (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に示された電磁アクチュエータに代表される一般的な電磁アクチュエータの駆動力Fは、
F=μ×A×(N×I)2/(2s2) (式1)
と表される。ここで、Nは駆動コイルの巻き数、Iは駆動コイルへ通電する励磁電流、μは真空透磁率、Aは磁極の断面積である。式1より、可動鉄心と固定コアの端部磁極との空隙距離s(電磁アクチュエータのストロークに等しい)が長くなると、駆動力Fが空隙距離sの2乗に反比例して低下することがわかる。ところで、ガス遮断器や気中遮断器、高電圧の真空遮断器(例えば3万V以上)など、世の中のほとんどの開閉器は、接点ストロークが20mm以上と短くない。このような接点ストロークの長い開閉器に対して、従来の電磁アクチュエータを適用する場合は、駆動力Fが低下してしまう。
The driving force F of a general electromagnetic actuator represented by the electromagnetic actuator shown in
F = μ × A × (N × I) 2 / (2s 2 ) (Formula 1)
It is expressed. Here, N is the number of turns of the drive coil, I is the exciting current energized to the drive coil, μ is the vacuum permeability, and A is the cross-sectional area of the magnetic pole. From
接点ストロークが長くなっても同等の駆動力Fを確保するためには、起磁力(N×I)を大きくする必要がある。ここで、巻数Nを増やすとコイル抵抗が上がるので、電圧を上げなければならない。一方で、電流Iを上げるにしても、結局は電源の容量(ワット数)を上げなければならない。いずれにしても、電源の大型化、高コスト化につながるという問題があった。 In order to ensure the same driving force F even when the contact stroke becomes long, it is necessary to increase the magnetomotive force (N × I). Here, increasing the number of turns N increases the coil resistance, so the voltage must be increased. On the other hand, even if the current I is increased, the capacity (wattage) of the power source must be increased after all. In any case, there is a problem that the power supply is increased in size and cost.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、長ストロークの開閉器においても、電源の大型化を必要とすることなく、十分な駆動力を確保できる電磁アクチュエータを提供する。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an electromagnetic actuator that can ensure a sufficient driving force without requiring an increase in the size of a power supply even in a long-stroke switch. provide.
この発明における電磁アクチュエータは、磁性体からなり、端部に磁極が設けられた固定コアと、前記固定コアの内空間において前記磁極から離れた第1の位置と前記磁極に隣接する第2の位置との間を往復運動可能な状態で配置された可動鉄心と、前記可動鉄心を前記第1の位置から前記第2の位置へ駆動させるために前記第1の位置と前記第2の位置との間に配置される駆動コイルと、前記可動鉄心を駆動させないときに前記可動鉄心を前記第2の位置において保持させるための永久磁石とを備える電磁アクチュエータにおいて、前記駆動コイルを中心にして前記第1の位置にある前記可動鉄心とは反対側で前記駆動コイルと前記磁極との間に補助磁極を設け、前記補助磁極に加えてさらに少なくとも1つ以上の補助磁極を前記可動鉄心の駆動方向に沿って配列するとともに、相隣する補助磁極の間に補助駆動コイルを配置し、前記駆動コイルおよび前記補助駆動コイルへの通電タイミングは、前記可動鉄心の駆動中の位置と方向とに基づいて制御されることを特徴とするものである。
Electromagnetic actuator in the present invention, Ri Do a magnetic material, a fixed core magnetic pole is provided at an end portion, the adjacent first position and the magnetic pole of remote from Oite the magnetic pole to an inner space of the stationary core A movable core disposed in a reciprocable manner between the first position and the second position, and the first position and the second position for driving the movable core from the first position to the second position. An electromagnetic actuator comprising a drive coil disposed between the position and a permanent magnet for holding the movable iron core at the second position when the movable iron core is not driven. An auxiliary magnetic pole is provided between the drive coil and the magnetic pole on the side opposite to the movable iron core at the first position, and at least one auxiliary magnetic pole is further added to the movable iron core in addition to the auxiliary magnetic pole. An auxiliary drive coil is arranged between adjacent auxiliary magnetic poles along the drive direction, and the energization timing of the drive coil and the auxiliary drive coil is set to a position and a direction during driving of the movable core. It is controlled based on this .
この発明によれば、長ストロークの開閉器においても、電源の大型化を必要とすることなく、十分な駆動力を確保できる電磁アクチュエータを提供できる。 According to this invention, even in a long stroke switch, it is possible to provide an electromagnetic actuator that can ensure a sufficient driving force without requiring a large power source.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1を説明するための電磁アクチュエータの部分断面斜視図であり、図2は矢視A−A方向の断面図である。電磁アクチュエータ100は、磁性体からなる固定コア1の内空間に往復運動可能な状態で配置された可動鉄心2を有する。固定コア1の内空間の中心部より図示上方および図示下方には、この内空間を取り巻くように2つの駆動コイル3、4がそれぞれ配置されている。可動鉄心2は、駆動コイル3、4への通電を適宜制御することによって、図示上下方向に駆動する。固定コア1の内空間の中央部を図示左右方向(可動鉄心2の駆動方向の垂直方向)に挟んで対向するように、2つの中央磁極10が設けられている。2つの中央磁極10に隣接してヨーク6が、中央磁極10を挟んで対向するように2つ配置されており、それぞれのヨーク6の可動鉄心2に面する側には永久磁石5が設けられている。可動鉄心2を駆動させないときには、固定コア1の上端部に設けられた上側の磁極11もしくは固定コア1の下端部に設けられた下側の磁極12に、この可動鉄心2が保持される。図1を例にすると、永久磁石5、可動鉄心2、固定コア1およびヨーク6とで磁気回路(図1中に点線で示す)を構成することで、可動鉄心2が上側の磁極11に吸着保持されている。駆動コイル3と上側の磁極11との間には上側の補助磁極111が設けられ、駆動コイル4と下側の磁極12との間には下側の補助磁極112が設けられている。
FIG. 1 is a partial cross-sectional perspective view of an electromagnetic actuator for explaining
次に、動作について説明する。図3〜5は電磁アクチュエータ100の部分断面拡大図であり、駆動コイル4に通電することによって、可動鉄心2が図示下方に移動する様子を示すものである。まず図3において、駆動コイル4に通電すると駆動コイル4の周囲に磁束が発生する。ここで、可動鉄心2と磁極12との空隙距離s、補助磁極112の高さをh、可動鉄心2のストロークラインと補助磁極112との距離d、可動鉄心2と補助磁極112との空隙距離gとする。空隙距離gは、可動鉄心2の駆動に伴って変化するものとする。
Next, the operation will be described. 3 to 5 are partial cross-sectional enlarged views of the
電磁アクチュエータ100のストロークを長くすれば、空隙距離sもそれに伴って長くなる。この場合、空隙距離sの経路を通る磁束ΦBによる駆動力は式1に示されたようになり、空隙距離sが長くなるほど駆動力は低下する。
If the stroke of the
ところで、補助磁極112を配置したことで、空隙距離gの経路を通る磁束ΦAも発生する。図3における磁束ΦAによる駆動力は、図示下方への分力割合cosθ=(s−h)/gを用いて、
F=μ×A×(N×I)2/(2g2)×cosθ (式2)
と表される。
By the way, by arranging the auxiliary
F = μ × A × (N × I) 2 / (2 g 2 ) × cos θ (Formula 2)
It is expressed.
図3では、空隙距離gが空隙距離sより十分に短いことから、磁束のほとんどが磁束ΦAである。すなわち、電磁アクチュエータ100の駆動力は、実質的に式2で表される。式2における駆動力Fが、式1における駆動力Fよりも十分に大きくなるように、補助磁極112を配置することによって、長ストロークであっても十分な初期駆動力を得ることができる。具体的には、式1と式2より、g3<s3−s2hとなるように、補助磁極112を形成すればよい。
In FIG. 3, since the gap distance g is sufficiently shorter than the gap distance s, most of the magnetic flux is the magnetic flux ΦA. That is, the driving force of the
磁束ΦAによって、可動鉄心2が図示下方に移動すると、図4のように磁束ΦAと磁束ΦBの両方を構成する。この状態では、磁束ΦAによる駆動力は分力割合cosθ=0のために寄与しなくなるものの、磁束ΦBによる駆動力と可動鉄心2のもつ運動エネルギーによって、可動鉄心2はさらに下方へと移動する。
When the
可動鉄心2の移動によって、空隙距離sが空隙距離gより十分に短くなると、磁束のほとんどが磁束ΦBとなる。最終的には、図5のように可動鉄心2は磁極12に達する。この状態で、駆動コイル4への通電を停止しても、永久磁石5の発生する磁束は、磁束ΦBと同様に磁極12を通る。すなわち、空隙距離gの経路を通ることはない。そのため、可動鉄心2を磁極12に吸引保持する際の吸引保持力に影響を及ぼすことはない。また、同様にして可動鉄心2を上方に移動させることができる。
When the gap distance s becomes sufficiently shorter than the gap distance g due to the movement of the
このように、この実施の形態における電磁アクチュエータ100の構成によれば、長ストロークであっても、補助磁極111、112によって可動鉄心2との有効な空隙距離を短く確保でき、初期駆動力の低下を防止できる。そのため、電源の大型化を必要とすることなく、可動鉄心2を十分に駆動させることができ、さらに駆動停止状態における吸引保持力にも影響を及ぼすことがない。
As described above, according to the configuration of the
なお、固定コア1と可動鉄心2とは、積層構造であることが好ましい。固定コア1を形成する磁性体、可動鉄心2を形成する鉄は、通常メッキ処理されている。固定コア1と可動鉄心2とを積層構造することによって、可動鉄心2への渦電流の発生を抑制できる。そのため、可動鉄心2への磁束遮蔽がなくなって、駆動制御性が向上する。
In addition, it is preferable that the fixed
また、図6に示すように、補助磁極112を固定コア1の内空間から外れた位置に配置してもよい。ただし、補助磁極112の上端部は、内空間への投影位置において駆動コイル4と磁極12との間にある。図示していない補助磁極111、駆動コイル3、磁極11の位置関係も同様である。
Further, as shown in FIG. 6, the auxiliary
さらに、本発明は、電磁アクチュエータ100の構造について、発明の精神の範囲内において自由な変形が可能である。例えば、固定コア、可動鉄心、駆動コイルなどを円筒状ならびに円環状としても、同様の効果が得られる。また、図7に示すように駆動コイルを1つとして、反対方向の駆動力源としてばね8を用いる例もある。
Furthermore, in the present invention, the structure of the
実施の形態2.
図8は、実施の形態2を説明するための電磁アクチュエータの断面図である。この実施の形態は、実施の形態1において、補助磁極と上側もしくは下側の磁極との間に空間を設け、さらにこの空間にも駆動コイルを配置したものである。図において、中央磁極10と上側の補助磁極111との間に駆動コイル3a、上側の補助磁極111と上側の磁極11との間に駆動コイル3b、中央磁極10と下側の補助磁極112との間に駆動コイル4a、下側の補助磁極112と下側の磁極12との間に駆動コイル4bが、配置されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the electromagnetic actuator for explaining the second embodiment. In this embodiment, a space is provided between the auxiliary magnetic pole and the upper or lower magnetic pole in the first embodiment, and a drive coil is also arranged in this space. In the figure, a drive coil 3a is provided between the central
次に動作について説明する。まず、駆動コイル4aに通電すると、駆動コイル4aの周囲に発生する磁束によって、可動鉄心2が下方に駆動する。このとき、駆動力は式2のようになり、補助磁極112によって十分な初期駆動力が得られる。続いて、可動鉄心2の下端が補助磁極112の上端と並んだら、駆動コイル4bに通電する。これは、駆動コイル4aの周囲に発生する磁束では下方に寄与する駆動力を得られなった時点で、新たに駆動コイル4bの周囲に発生する磁束を必要とするためである。駆動コイル4aと駆動コイル4bがつくる合成磁束によって、可動鉄心2には、下方への駆動力が継続して与えられる。このようにして、可動鉄心2は磁極12に到達することができる。
Next, the operation will be described. First, when the
なお、駆動コイル4bに通電した後、可動鉄心2の下端が補助磁極112の下端と並んだら、駆動コイル4aへの通電を停止してもよい。これは、例えば駆動コイル4a、4bの電源が独立であれば、可動鉄心2が磁極12にかなり接近した後は、駆動コイル4aと駆動コイル4bによる合成磁束と、駆動コイル4bのみによる磁束とでは、得られる駆動力に差がないからである。また、一つの電源から駆動コイル4a、4bを並列に接続した場合、駆動コイル4aへの通電を停止した分が駆動コイル4bへの通電量の増加となるため、駆動コイル4aと駆動コイル4bによる合成磁束よりも、駆動コイル4bのみによる磁束のほうが、得られる駆動力が大きくなるからである。
In addition, after energizing the
また、可動鉄心2が補助磁極112の脇を通過する際に、駆動コイル4aと駆動コイル4bの合成磁束をつくることなく、電源からの電流を駆動コイル4aから駆動コイル4bに切り換えてもよい。この場合、駆動コイルへの電流の制御が容易になる。ここで、補助磁極112の厚さは適宜設計できるが、可動鉄心2が補助磁極112の脇を通過するときに駆動コイル4bの磁束による図示下方向への駆動力を速やかに立ち上げる観点から、補助磁極112は薄いほうが好ましい。
Further, when the
実施の形態3.
図9は、実施の形態3を説明するための電磁アクチュエータの断面図である。この実施の形態は、実施の形態1において、補助磁極を可動鉄心の駆動方向に沿って複数配列するとともに、相隣する補助磁極の間に補助駆動コイルを配置したものである。図において、中央磁極10と上側の磁極11との間に4つの補助磁極111が、中央磁極10と下側の磁極12との間に4つの補助磁極112が、配列されている。中央磁極10とその上側の隣の補助磁極111との間には、駆動コイル3が配置されている。また、相隣する補助磁極111同士の間には、補助駆動コイル31、32、33が配置されている。同様に、中央磁極10とその下側の隣の補助磁極112との間には、駆動コイル4が配置されている。また、相隣する補助磁極112同士の間には、補助駆動コイル41、42、43が配置されている。
FIG. 9 is a cross-sectional view of an electromagnetic actuator for explaining the third embodiment. In this embodiment, a plurality of auxiliary magnetic poles are arranged along the driving direction of the movable iron core in the first embodiment, and auxiliary driving coils are arranged between adjacent auxiliary magnetic poles. In the figure, four auxiliary
駆動コイル3、4および補助駆動コイル31〜33、41〜43への通電タイミングは、可動鉄心2の駆動中の位置と方向とに基づいて制御される。図10は、可動鉄心2を下方に駆動するときの駆動コイル4および補助駆動コイル41〜43への通電タイムチャートである。
The energization timing to the drive coils 3 and 4 and the auxiliary drive coils 31 to 33 and 41 to 43 is controlled based on the position and direction of the
まず、駆動コイル4に通電すると、駆動コイル4の周囲に発生する磁束によって、可動鉄心2が下方に駆動し、補助磁極112によって十分な初期駆動力が得られる。続いて、補助駆動コイル41、42、43に順次通電する。補助駆動コイル41〜43への通電タイミングは、可動鉄心2の下端が当該補助駆動コイル41〜43のすぐ上の補助磁極112の上端と並んだときが好ましい。順次通電される駆動コイル4、補助駆動コイル41〜43がつくる合成磁束によって、可動鉄心2には下方への駆動力が継続して与えられる。このようにして、可動鉄心2は磁極12に到達することができる。
First, when the
また、駆動コイル3、4および補助駆動コイル31〜33、41〜43への通電タイミングは、図11のような変形例であってもよい。ここでは、可動鉄心2の下端が駆動コイル4あるいは補助駆動コイル41〜42のすぐ下の補助磁極112の下端と並んだら、当該駆動コイル4あるいは当該補助駆動コイル41〜42への通電を停止する。これにより、電力消費を抑制し、入力電力に対する駆動効率を損なうことがない。
Further, the energization timings for the drive coils 3 and 4 and the auxiliary drive coils 31 to 33 and 41 to 43 may be modified as shown in FIG. Here, when the lower end of the
また、可動鉄心2が補助磁極112の脇を通過する際に、駆動コイル4および補助駆動コイル41〜43の合成磁束をつくることなく、電源からの電流を駆動コイル4、補助駆動コイル41〜43に順次切り換えてもよい。この場合、駆動コイル4、補助駆動コイル41〜43への電流の制御が容易になる。
Further, when the
この実施の形態では、あらゆるストローク長において、電磁アクチュエータ100の駆動効率を損なうことなく、補助磁極111、112と補助駆動コイル31〜33、41〜43の分割配置によって簡単に対応できる。さらに、可動鉄心2の表面に凹凸を設け、補助磁極としての機能をもたせてもよい。
In this embodiment, any stroke length can be easily handled by dividing the auxiliary
実施の形態4.
図12は、実施の形態4を説明するための開閉装置の構成図である。この実施の形態は、実施の形態1で説明した電磁アクチュエータを開閉装置に適用した例である。実施の形態2〜3の電磁アクチュエータにも適宜変更できることは言うまでもない。
FIG. 12 is a configuration diagram of an opening / closing device for explaining the fourth embodiment. This embodiment is an example in which the electromagnetic actuator described in the first embodiment is applied to a switchgear. Needless to say, the electromagnetic actuators of the second to third embodiments can be appropriately changed.
図において、開閉装置400は、開閉器としての断路器200、開閉器としての真空遮断器300、断路器200と遮断器300とを収容する筐体401とを備える。筐体401には、それぞれの開閉器の操作用ボタン402と、電流計または電圧計などのモニター403が設けられている。断路器200は、可動接点202と2つの固定接点201とを有し、可動接点202の駆動機構として電磁アクチュエータ100が用いられる。真空遮断器300は、可動接点302と固定接点301とを有し、可動接点302の駆動機構として電磁アクチュエータ100が用いられる。
In the figure, the
この実施の形態では、開閉器の可動接点の駆動機構として電磁アクチュエータを用いることにより、従来のバネ機構と比較して部品がおよそ半減する。部品が減った分、故障発生確率が減り、信頼性が向上する。 In this embodiment, by using an electromagnetic actuator as a drive mechanism for the movable contact of the switch, the number of parts is reduced by half compared to a conventional spring mechanism. As the number of parts is reduced, the probability of failure is reduced and reliability is improved.
この発明は、とくに長ストロークの電磁アクチュエータに適しているが、従来の短ストロークの電磁アクチュエータの駆動効率を向上させるためにも利用できる。 The present invention is particularly suitable for a long stroke electromagnetic actuator, but can also be used to improve the driving efficiency of a conventional short stroke electromagnetic actuator.
1 固定コア、10 中央磁極、11〜12 磁極、111〜112 補助磁極、2 可動鉄心、3〜4 駆動コイル、31〜33、41〜43 補助駆動コイル、5 永久磁石、100 電磁アクチュエータ、200 断路器、300 真空遮断器、400 開閉装置。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記固定コアの内空間において前記磁極から離れた第1の位置と前記磁極に隣接する第2の位置との間を往復運動可能な状態で配置された可動鉄心と、
前記可動鉄心を前記第1の位置から前記第2の位置へ駆動させるために前記第1の位置と前記第2の位置との間に配置される駆動コイルと、
前記可動鉄心を駆動させないときに前記可動鉄心を前記第2の位置において保持させるための永久磁石と
を備える電磁アクチュエータにおいて、
前記駆動コイルを中心にして前記第1の位置にある前記可動鉄心とは反対側で前記駆動コイルと前記磁極との間に補助磁極を設け、
前記補助磁極に加えてさらに少なくとも1つ以上の補助磁極を前記可動鉄心の駆動方向に沿って配列するとともに、相隣する補助磁極の間に補助駆動コイルを配置し、前記駆動コイルおよび前記補助駆動コイルへの通電タイミングは、前記可動鉄心の駆動中の位置と方向とに基づいて制御されることを特徴とする電磁アクチュエータ。 Ri Do a magnetic material, a fixed core magnetic pole is provided at an end portion,
A movable iron core arranged in reciprocatable state and a second position adjacent to said pole and first position away from Oite the magnetic pole to an inner space of the fixed core,
A drive coil disposed between the first position and the second position for driving the movable iron core from the first position to the second position ;
In an electromagnetic actuator comprising a permanent magnet for holding the movable iron core in the second position when the movable iron core is not driven,
An auxiliary magnetic pole between said drive coil opposite said pole provided with said movable iron core is in said first position around the said drive coil,
In addition to the auxiliary magnetic pole, at least one auxiliary magnetic pole is arranged along the driving direction of the movable iron core, and an auxiliary driving coil is arranged between adjacent auxiliary magnetic poles, and the driving coil and the auxiliary driving are arranged. energization timing to the coil, wherein the to that conductive magnetic actuator that is controlled based on the position and direction of drive of the movable core.
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