JP4516908B2 - 電磁アクチュエータ及び開閉器 - Google Patents

Description

本発明は、アーマチュアを有する電磁アクチュエータであって、アーマチュアを閉路位置に確実に移動することのできる電磁アクチュエータ、及び当該電磁アクチュエータを用いた真空遮断器や真空開閉器などの開閉器に関する。

真空遮断器や真空開閉器などの開閉器において、開閉器を開路状態にしたり、閉路状態にするための操作機構として、電磁アクチュエータが使用されている。ここで、電磁アクチュエータを用いた開閉器は、永久磁石とソレノイドコイルを動力源とし、操作ロッド等の連結部品を介して主回路の接点である真空バルブ可動軸を動かし、電路の開閉を行うものである。

図９により操作ロッド６及び電磁アクチュエータ２０を有する従来の開閉器３０について説明する。図９の左側断面図に示すように、開閉器３０が開路状態にある場合、操作ロッド６上に設けられた連結部材１３に、開路ばね９や重力により開路保持力Ｆ_３が加えられており、開路状態がこの開路保持力Ｆ_３によって保持されている。

ここで、制御部（図示せず）から閉路状態にする閉路指令が電源（図示せず）へ入力されると、閉路コイル４ａに電流が流れる。このことにより、閉路コイル４ａが励磁され、永久磁石１の磁束と同方向に磁束が発生する。このとき図９の左側断面図に示すように、ヨーク３、コア７及びアーマチュア２に磁路１５ａが形成される。また、永久磁石１による磁力と、閉路コイル４ａによって発生した磁力とによって、アーマチュア２には、アーマチュア２とコア７とのギャップを縮める方向に吸引力Ｆ_１が働き、アーマチュア２は閉路位置に移動する。

このことにより、アーマチュア２に連結された操作ロッド６が押上げられ、この操作ロッド６に連結された連結部材１３が押し上げられる。これに伴い、連結部材１３上方に配置されたワイプばね１２が押し上げられ、次にワイプばね１２に連結された真空バルブ可動軸１１が押し上げられる。この結果、真空バルブ可動軸１１の上端に設けられた可動側接触子１０ｂと、天井面２５に固定された真空バルブ固定軸３５端部の下端に設けられた固定側接触子１０ａとが接触し、開閉器３０は閉路状態となる（特許文献１参照）。なお、可動側接触子１０ｂと固定側接触子１０ａは、天井面２５に固定された真空バルブ１０内に配置されている。

上述した開路器３０を開路状態から閉路状態に変化させる工程において、アーマチュア２が上方へ移動を開始するには、永久磁石１と閉路コイル４ａから発生する磁力による吸引力Ｆ_１が、開路保持力Ｆ_３よりも大きくなる必要がある。

特願２００２−２７０４２３

ところで、アーマチュア２が閉路コイル４ａ内で移動する際、閉路コイル４ａに誘導起電力が発生する。このため、図１０に示すように、アーマチュア２が閉路コイル４ａ内で移動し始めると（ｔ_１）、誘導起電力により閉路コイル４ａに流れる電流が小さくなる（最大電流は時間ｔ_１におけるＩ_１となる）。この結果、永久磁石１とアーマチュア２との間に働く吸引力Ｆ_１が弱くなる。

このため、十分な初速度をもってアーマチュア２が上方に移動し始めることができず、かつアーマチュア２が移動し始める際に閉路コイル４ａに流れる電流の大きさが十分でない場合、アーマチュア２は開路ばね９や重力による開路保持力Ｆ_３によって閉路位置まで移動することができない。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、アーマチュアを閉路位置まで確実に移動させるために、十分な初速度をもってアーマチュアを移動させることができ、アーマチュアが移動し始める際にソレノイドコイルに流れる電流を十分大きなものとすることができる電磁アクチュエータ及び当該電磁アクチュエータを備えた開閉器を提供することを目的とする。

本発明は、電流を流すことにより励磁されるソレノイドコイルと、ソレノイドコイルの内方に配置されるとともに、閉路位置と開路位置との間でソレノイドコイルの軸方向に移動可能なアーマチュアと、ソレノイドコイルの内方に配置されるとともに、アーマチュアに磁力を及ぼす永久磁石と、永久磁石の端部に、アーマチュアと対向するように設けられたコアと、ソレノイドコイルの外方を覆って配置され、コア及びアーマチュアとともにソレノイドコイルにより励磁された磁路を形成するヨークと、ヨークに固定されるとともに、開路位置にあるアーマチュアに当接して係止するストッパプレートとを備え、ストッパプレートは、磁性体からなることを特徴とする電磁アクチュエータである。

本発明は、ヨークは、ソレノイドコイルとストッパプレートとの間であって、アーマチュア側に突出するヨーク凸部を有することを特徴とする電磁アクチュエータである。

本発明は、ストッパプレートの外方にヨーク底部を覆うようにして、非磁性体からなる追加プレートを更に設けたことを特徴とする電磁アクチュエータである。

本発明は、ストッパプレートとヨークとの間に、非磁性体からなる追加プレートを介在させ、追加プレートの厚みは、ヨークとアーマチュアとの間に形成される間隙よりも小さいことを特徴とする電磁アクチュエータである。

本発明は、ストッパプレートの飽和磁化は、ソレノイドコイルの定格電流により発生する磁化よりも小さいことを特徴とする電磁アクチュエータである。

本発明は、上述の電磁アクチュエータを備えたことを特徴とする開閉器である。

本発明によれば、十分な初速度をもってアーマチュアを移動させ始めるとともに、アーマチュアが移動し始める際にソレノイドコイルに流れる電流を十分大きなものとする電磁アクチュエータを提供することができ、このことによりアーマチュアを閉路位置まで確実に移動させることができる電磁アクチュエータを提供することができる。

第１の実施の形態
以下、本発明に係る電磁アクチュエータ２０及び開閉器３０の第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１乃至図４は本発明の第１の実施の形態を示す図である。

まず、本実施の形態における電磁アクチュエータ２０を用いた開閉器３０の概略について説明する。

図１に示すように、開閉器３０は床面２６に設けられた電磁アクチュエータ２０と、この電磁アクチュエータ２０の中央部に取り付けられるとともに、上下方向に延在する非磁性体からなる操作ロッド６とを備えている。

この操作ロッド６の上端には連結部材１３が水平方向に延在して設けられ、連結部材１３の上方には、ワイプばね１２が連結されるとともに、連結部材１３の下方には開路ばね９が連結されている。この開路ばね９の下端は、床面２６に固定されている。また、天井面２５に真空バルブ１０が設けられており、この真空バルブ１０内には天井面に固定された真空バルブ固定軸３５が設けられており、この真空バルブ固定軸３５の下端には固定側接触子１０ａが固着されている。さらに、ワイプばね１２の上方には真空バルブ可動軸１１が連結されており、この真空バルブ可動軸１１の上端には真空バルブ１０内に設けられた可動側接触子１０ｂが固着されている。この場合、固定側接触子１０ａと可動側接触子１０ｂとは対向するようにして配置されている。

次に、本実施の形態における電磁アクチュエータ２０について、図１及び図２を用いて更に詳述する。

電磁アクチュエータ２０は、電流を流すことにより励磁されるソレノイドコイル４ａ、４ｂと、ソレノイドコイル４ａ、４ｂの内方に配置されるとともに、閉路位置と開路位置との間でソレノイドコイル４ａ、４ｂの軸方向に移動可能なアーマチュア２と、ソレノイドコイル４ａ、４ｂの内方に配置されるとともに、アーマチュア２に磁力を及ぼす永久磁石１とを備えている。

また、電磁アクチュエータ２０の中央部には、上下方向に延在した操作ロッド６が設けられている。この操作ロッド６は、上述した上下方向に移動可能な凸型形状のアーマチュア２に連結されている。またアーマチュア２の外方には、上述のようにソレノイドコイル４ａ、４ｂが配置され、このうちソレノイドコイル４ａは永久磁石１の磁束と同方向の磁束を発生させる閉路コイル４ａとなっており、ソレノイドコイル４ｂは永久磁石１の磁束と逆方向の磁束を発生させる開路コイル４ｂとなっている。ソレノイドコイル４ａ、４ｂのうち、閉路コイル４ａは上方に配置され、開路コイル４ｂは下方に配置されている。この閉路コイル４ａと開路コイル４ｂの外方には、閉路コイル４ａと開路コイル４ｂを覆うようにしてヨーク３が配置されている。

また、図２に示すようにヨーク３の一部３ｂは、閉鎖コイル４ａ内に延在し、このヨーク３の部分３ｂ下端にはアーマチュア２に磁力を及ぼす永久磁石１が設けられている。この永久磁石１は、アーマチュア２が閉路位置に配置されている場合にはアーマチュア２を保持し、アーマチュア２が開路位置に配置されている場合にはアーマチュア２を上方へ引きつける磁力を発するようになっている。また、この永久磁石１の下端には、アーマチュア２と対向するようにしてコア７が設けられている。

さらに、ヨーク３の底部には、閉路コイル４ａと開路コイル４ｂの外方に位置するストッパプレート５が取り付けられている。このストッパプレート５は、開路位置にあるアーマチュア２に当接して係止するものである。このストッパプレート５は磁性体からなり、アーマチュア２が開路位置に配置されている場合には、閉路コイル４ａにより発生される磁力の磁路１５ｂを形成することができる。

ここで、ヨーク３、コア７、アーマチュア２及びストッパプレート５は、励磁された閉路コイル４ａと開路コイル４ｂの磁路１５ａを形成することができる（図４参照）。

また、ヨーク３には、開路コイル４ｂとストッパプレート５との間に、アーマチュア２側に突出するヨーク凸部３ａが設けられている。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。

まず、開閉器３０を開路状態から閉路状態へと変化させる工程について説明する。

アーマチュア２が開路位置にある場合、図１の左側断面図に示すように、操作ロッド６上に設けられた連結部材１３に、開路ばね９や重力により開路保持力Ｆ_３が加えられている。また、開路位置にあるアーマチュア２は、この開路保持力Ｆ_３によって保持されている。

ここで、制御部（図示せず）から電源（図示せず）に対して閉路位置にする閉路指令が入力されると、閉路コイル４ａに電流が流れる。このことにより、閉路コイル４ａが励磁され、永久磁石１の磁束と同方向に磁束が発生する。このとき図４の左側断面図に示すように、ヨーク３、コア７、アーマチュア２及びストッパプレート５に磁路１５ａ、１５ｂが形成される。また、永久磁石１による磁力と、閉路コイル４ａによって発生した磁力とによって、アーマチュア２には、アーマチュア２とコア７とのギャップを縮める方向に吸引力Ｆ_１が働き、アーマチュア２は閉路位置に移動する。

このことにより、アーマチュア２に連結された操作ロッド６が押上げられ、この操作ロッド６に連結した連結部材１３が押し上げられる。それに伴い、連結部材１３上方に延在したワイプばね１２が押し上げられ、このワイプばねに連結した真空バルブ可動軸１１が押し上げられる。この結果、天井面２５に固定された真空バルブ１０内において、真空バルブ可動軸１１側の可動側接触子１０ｂと、真空バルブ固定軸３５側の固定側接触子１０ａとが接触し、開閉器３０は閉路状態となる。

開閉器３０が閉路位置となった際、弾性力を有するワイプばね１２により、真空バルブ可動軸１１の上端に設けられた可動側接触子１０ｂが真空バルブ固定軸３５の下端に設けられた固定側接触子１０ａに対して押しつけられている。このため、可動側接触子１０ｂを固定側接触子１０ａに対して強く押しつけることができる。

開閉器３０が閉路位置となった後は、制御部（図示せず）から電源（図示せず）に対して、閉路コイル４ａに流れている電流を停止する指令が入力され、閉路コイル４ａに流れている電流が停止される。このため、閉路コイル４ａは無励磁状態となるので、閉路位置では、アーマチュア２は永久磁石１の磁力のみによって保持される。

次に、上述した開閉器３０が開路状態から閉路状態へと変化する場合において、アーマチュア２が上方へ移動を開始する作用について詳述する。

上述のように、電磁アクチュエータ２０は、ヨーク３の底部に固定された、磁性体からなるストッパプレート５を備えている。このため、図４の左側断面図に示すように、開路位置において閉路コイル４ａに電流を流し励磁すると、ヨーク３、アーマチュア２、コア７及びストッパプレート５内に磁路１５ａ、１５ｂを発生させることができる。このため、磁路１５ａにより閉路方向の吸引力Ｆ_１を発生させるとともに、磁路１５ｂにより、閉路方向とは逆方向（開路方向）の吸引力Ｆ_２を発生させることができる。

ここで、閉路コイル４ａに流す電流を大きくしていき、閉路方向の吸引力Ｆ_１と開路方向の吸引力Ｆ_２との差が所定の値になった際、図４の右側断面図に示すように、アーマチュア２が上方へ移動してアーマチュア２とストッパプレート５との間にギャップ１７が発生する。このようなギャップ１７が発生すると、磁路１５ｂは消滅し磁路１５ａのみが残り、吸引力Ｆ_２は消滅し吸引力Ｆ_１のみが働くようになる。従って、アーマチュア２がストッパプレート５から分離してギャップ１７が生じると、大きな初速度によってアーマチュア２を上方に移動させることができる。

また、図３に示すように、本発明において、アーマチュア２が上方へ移動し始める際（ｔ_２）、閉路コイル４ａに流れる電流の大きさＩ_２は、本発明のような構成をとらない比較例の電流の大きさＩ_１に比べて大きくなるので、誘導起電力により閉路コイル４ａに流れる電流が小さくなったとしても、アーマチュア１に十分大きな閉路方向の吸引力Ｆ_１を発生させることができる。

以上説明したように、アーマチュア２が閉路コイル４ａ内に挿入されることにより発生する誘導起電力により、閉路コイル４ａ内に流れる電流が小さくなり閉路方向の吸引力Ｆ_１が小さくなったとしても、アーマチュア２を確実に閉路位置まで移動させることができる。このため、真空バルブ可動軸１１の上端の可動側接触子１０ｂを真空バルブ固定軸３５の下端の固定側接触子１０ａに接触させ、開閉器３０を確実に閉路状態にすることができる。

次に、開閉器３０が閉路状態から開路状態へと変化する工程について説明する。

開閉器３０の閉路位置において制御部（図示せず）から電源（図示せず）に対して開路指令が入力されると、開路コイル４ｂに電流が流れ、開路コイル４ｂが励磁し、永久磁石１の磁束と逆方向の磁束が発生される。

このとき、ヨーク３、コア７、アーマチュア２及びストッパプレート５により形成されている磁路内の磁束が減少し、開路ばね９による開路方向への開路保持力Ｆ_３が吸引力Ｆ_１よりも大きくなり、アーマチュア２が下方に向かって移動する。これにより、アーマチュア２に連結された操作ロッド６が下方に移動し、操作ロッド６に連結された連結部材１３が下方へ移動する。この結果、連結部材１３にワイプばね１２を介して設けられた真空バルブ可動軸１１が下方へ移動する。そして、真空バルブ可動軸１１の上端に設けられた可動側接触子１０ｂが下方へ移動して、天井面に設けられた真空バルブ固定軸３５の下端に設けられた固定側接触子１０ａと分離し、開閉器３０は開路状態となる。

第２の実施の形態
次に図５により本発明の第２の実施の形態について説明する。図５に示す第２の実施の形態は、ストッパプレート５の下方にヨーク３の底部を覆うようにして、非磁性体からなる追加プレート５ａを更に設けたものであり、他は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。

図５に示す第２の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図５に示すように、ストッパプレート５の下方には、ヨーク３の底部を覆うようにして、非磁性体からなる追加プレート５ａを設けられている。このため、ストッパプレート５を追加プレート５ａによりヨーク３に堅固に固定することができ、アーマチュア２の上下運動の繰り返しにより、ストッパプレート５がヨーク３から剥がれてしまうことを防止することができる。

また、本実施の形態は、第１の実施の形態において、電磁アクチュエータ２０のストッパプレート５の下方にヨーク３の底部を覆うようにして、非磁性体からなる追加プレート５ａを設けた構成を有し、他は第１の実施の形態と同様の構成をしている。このため、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、追加プレート５ａとして磁性体のものを用いると、追加プレート５ａに形成される磁路によって発生する開路方向の吸引力Ｆ_２が大きくなりすぎてしまい、閉路コイル４ａに電流を流して励磁して発生する吸引力Ｆ_１によってアーマチュア２を上方へ移動させることができなくなってしまう可能性がある。

これに対して、本実施の形態によれば、ストッパプレート５ａは非磁性体からなっているので、追加プレート５ａ内には磁路が形成されない。このため、開路方向の吸引力Ｆ_２を適度な大きさに抑えることができるので、閉路方向の吸引力Ｆ_１によってアーマチュア２を上方へ確実に移動させることができる。

第３の実施の形態
次に図６により本発明の第３の実施の形態について説明する。図６に示す第３の実施の形態は、ストッパプレート５とヨーク３との間に、非磁性体からなる追加プレート５ａをヨーク３の底部を覆うようにして介在させ、この追加プレート５ａの厚みａをヨーク３とアーマチュア２との間に形成される間隙ｂ_１、ｂ_２よりも小さくしたものであり、他は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。

図６に示す第３の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図６に示すように、ストッパプレート５とヨーク３との間に設けられる非磁性体からなる追加プレート５ａの厚みａは、ヨーク凸部３ａとアーマチュア２側面との間隙ｂ_１及びヨーク３とアーマチュア２凸部との間隙ｂ_２のいずれよりも小さくなっている。このことにより、閉路コイル４ａを励磁した場合に磁路１５ａだけでなく、ストッパプレート５内を通る磁路１５ｂも形成することができる。このため、アーマチュア２にストッパプレート５から吸引力Ｆ_２を発生させることができるので、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、非磁性体からなる追加プレート５ａをアーマチュア２との間に介在させているので、磁性体からなるストッパプレート５とヨーク３及びアーマチュア２を追加プレート５ａの厚み分だけ離して設けることができる。このため、閉路コイル４ａを励磁させた際、ストッパプレート５からアーマチュア２に対して発生する開路方向の吸引力Ｆ_２を適度な大きさに抑えることができるので、ストッパプレート５をヨーク３の底部を覆うようにして設けても、閉路コイル４ａに電流を流して励磁して発生する吸引力Ｆ_１によってアーマチュア２を上方へ移動させることができる。

このように本実施の形態によれば、追加プレート５ａとストッパプレート５をヨーク３の底部を覆うようにして設けることができるので、追加プレート５ａとストッパプレート５をヨーク３に堅固に固定することができる。このため、アーマチュア２の上下運動の繰り返しにより、追加プレート５ａとストッパプレート５がヨーク３から剥がれてしまうことを防止することができる。

また、ストッパプレート５によってヨーク３とアーマチュア２の底部を覆うことができるので、ヨーク３やアーマチュア２の底部からの磁気漏洩を減少させることもできる。

第４の実施の形態
次に図７及び図８により本発明の第４の実施の形態について説明する。図７及び図８に示す第４の実施の形態は、ストッパプレート５の構造が異なるのみであり、他は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。

すなわち、図７及び図８に示すように、ヨーク３の底部を覆うようにストッパプレート５が設けられ、このストッパプレート５は閉路コイル４ａの定格電流よりも小さな電流によって磁化が飽和するようになっている。他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。

図７及び図８に示す第４の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図８に示すように、本実施の形態におけるストッパプレート５は、閉路コイル４ａの定格電流よりも小さな電流によって磁化が飽和するので、閉路コイル４ａに流す電流が大きくなっても、所定の電流値以上ではストッパプレート５にアーマチュア２を引きつける開路方向の吸引力Ｆ_２は大きくならず一定となる（Ｆ_２’）。そして、閉路方向の吸引力Ｆ_１と開路方向の吸引力Ｆ_２’との差が所定の値（Ｆ_０）になると、アーマチュア２は上方へ移動し始める（この際、閉路方向の吸引力はＦ_１’である）。

このため、閉路コイル４ａを励磁させた際、ストッパプレート５からアーマチュア２に対して発生する開路方向の吸引力Ｆ_２を適度な大きさに抑えることができる。このため、図７に示すようにストッパプレート５を電磁アクチュエータ２０の底部を覆うようにして設けても、閉路コイル４ａに電流を流して励磁して発生する吸引力Ｆ_１によってアーマチュア２を上方へ移動させることができる。

このように本実施の形態によれば、ストッパプレート５をヨーク３の底部を覆うようにして設けることができるので、ストッパプレート５をヨーク３に堅固に固定することができ、アーマチュア２の上下運動の繰り返しにより、ストッパプレート５がヨーク３から剥がれてしまうことを防止することができる。

なお、本実施の形態は、ヨーク３の底部を覆うように設けられ、閉路コイル４ａの定格電流よりも小さな電流によって磁化が飽和するストッパプレート５を用いた構成を有し、他は第１の実施の形態と同様の構成をしている。このため、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

第１の実施の形態における電磁アクチュエータを用いた開閉器の断面図。 本発明による電磁アクチュエータの第１の実施の形態を示す断面図。 閉路コイルに流れる電流の時間変化を示す模式図。 閉路コイルに電流を流した際に形成される磁路を示す模式図。 本発明による電磁アクチュエータの第２の実施の形態を示す断面図。 本発明による電磁アクチュエータの第３の実施の形態を示す断面図。 本発明による電磁アクチュエータの第４の実施の形態を示す断面図。 本発明の第４の実施の形態において発生する吸引力の時間変化を表す模式図。 従来の開閉器を示す断面図。 従来の閉路コイルに流れる電流の時間変化を示す模式図。

符号の説明

１ 永久磁石
２ アーマチュア
３ ヨーク
３ａ ヨーク凸部
４ａ 閉路コイル
４ｂ 開路コイル
５ ストッパプレート
５ａ 追加プレート
６ 操作ロッド
７ コア
９ 開路ばね
１０ 真空バルブ
１０ａ 固定側接触子
１０ｂ 可動側接触子
１１ 真空バルブ可動軸
１２ ワイプばね
１３ 連結部材
２０ 電磁アクチュエータ
３０ 開閉器
３５ 真空バルブ固定軸

Claims (2)

1. 電流を流すことにより励磁されるソレノイドコイルと、
   ソレノイドコイルの内方に配置されるとともに、閉路位置と開路位置との間でソレノイドコイルの軸方向に移動可能なアーマチュアと、
   ソレノイドコイルの内方に配置されるとともに、アーマチュアに磁力を及ぼす永久磁石と、
   永久磁石の端部に、アーマチュアと対向するように設けられたコアと、
   ソレノイドコイルの外方を覆って配置され、コア及びアーマチュアとともにソレノイドコイルにより励磁された磁路を形成するヨークと、
   ヨークに固定されるとともに、開路位置にあるアーマチュアに当接して係止するストッパプレートとを備え、
   ストッパプレートは、磁性体からなり、
   ストッパプレートとヨークとの間に、非磁性体からなる追加プレートを介在させ、
   追加プレートの厚みは、ヨークとアーマチュアとの間に形成される間隙よりも小さいことを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. ヨークは、ソレノイドコイルとストッパプレートとの間であって、アーマチュア側に突出するヨーク凸部を有することを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。

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