JP4574612B2 - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、スイッチの少なくとも１つの可動接点をスイッチオン位置またはスイッチオフ位置へ作動するための電磁アクチュエータに係る。電磁アクチュエータは、スイッチオン位置に到達するまで可動極片と固定極片を互いに近づく方向に移動させるスイッチオンコイルを備えた第１の磁気回路と、スイッチオンコイルが付勢されない時にアクチュエータをバネまたは他の力に抗してスイッチオン位置に保持するために、可動極片に接合された永久磁石及び保持プレートを有する、第１の磁気回路とは別個の第２の磁気回路と、第２の磁気回路の磁界を打ち消してアクチュエータがスイッチオフ位置に戻れるように作動するスイッチオフコイルとを有する。第２の磁気回路は、永久磁石、保持プレート、スイッチオフコイル、及び第２の磁気回路を閉じる回路片を含み、スイッチオフ位置からスイッチオン位置へ移動する間に回路片と保持プレートの間に増加する誘引力を与える。

本発明は、さらに別の局面において、電磁アクチュエータの製造方法及びスイッチが少なくとも１つの可動接点を有する開閉装置に本発明のアクチュエータのようなアクチュエータを固定する組立体に係る。

このタイプの電磁アクチュエータは、国際公開ＷＯ９９／１４７６９号に開示されている。別個の磁気回路を設けると、アクチュエータはスイッチオン速度及びスイッチオフ速度並びに必要なスイッチオン及びスイッチオフエネルギーに関する限り最適化することが可能である。しかしながら、この刊行物に記載されたアクチュエータはその利用態様及び製造の両面でさらなる改良の余地がある。

発明の概要

本発明の目的は、低コストでの製造が容易で、従来技術と比べると効率が高い電磁アクチュエータを提供することにある。

本発明によると、前文に定義されたタイプの電磁アクチュエータであって、アクチュエータの軸方向において、スイッチオフコイルが永久磁石よりも保持プレートに近い位置にある電磁アクチュエータが提供される。国際公開ＷＯ／１４７６９号により公知のアクチュエータの永久磁石及びスイッチオフコイルの配置をこのように変更すると、スイッチオフコイルの作動効率が増加する結果、アクチュエータのスイッチオフに必要なエネルギーが減少する。

電磁アクチュエータのさらに別の例は米国特許出願ＵＳ−Ａ−５，８６４，２７４号に開示されている。このタイプのアクチュエータは、円筒形の軟鉄製容器がその内壁との間に磁気分路ギャップを形成するように配置された永久磁石を有するものである。磁束を導通させるディスクの首部は電流巻線により取り囲まれている。磁気誘引可能な極ディスク片は軟鉄製容器の首部上にある。導電性リングが極ディスク片に固定されている。極ディスク片は機械的及び／または電気的安全装置を作動する。このシステムは電流巻線に送り込まれる電流インパルスにより作動される。このアクチュエータはスイッチオンコイルを備えておらず、コイルは外部から作動されない場合、アクチュエータは極片が磁束導通ディスク片の首部上に収まる通常位置に戻る。このアクチュエータは、極ディスク片を短時間の間に比較的迅速に押しやるように構成されているが、これは磁束を極ディスク片から離れる方向に強制的に移動させ、短絡用導通性リングによりこの押しやる力を与えることにより達成されると記載されている。これは、磁気回路を軟鉄製容器、永久磁石、磁束導通ディスク片及び極ディスク片により形成し、永久磁石の直径は軟鉄製容器の直径よりも小さくする（永久磁石が軟鉄製容器に収まる）と可能になる。

しかしながら、本発明では、スイッチオフ作用は、スイッチオフコイルにより発生されるが同じ磁束パス内にある磁束により、保持プレートを保持する永久磁石の磁束を打ち消すことにより達成される。これにより、永久磁石がＵＳ−Ａ−５，８６４，２７４により教示される位置よりも半径方向外側の位置に押され、かくして可動極片（スイッチオンコイルの一次的回路の一部）は決してアクチュエータの二次的磁気回路に影響を与えないようになる。これにより、保持機構の要素（永久磁石、固定片など）をスイッチオン機構の部品（特に、比較的大きな可動極片）と実質的に同軸配置できるため、アクチュエータの一層のコンパクト化が可能となり、長さを短くできる。

さらに別の実施例において、永久磁石はディスク状磁石であり、その極方向はディスク状磁石の軸に平行である。このタイプの永久磁石は、特に、極方向を半径方向にする必要があるＷＯ９９／１４７６９に記載された永久磁石と比較すると、製造が容易且つ低コストである。さらに、第２の磁気回路が異なる経路をたどり、軸方向の公差が半径方向に比べてなくすことが容易であるため、このディスク状永久磁石では製造公差を大きくとることができる。

さらに別の実施例において、アクチュエータは本質的に円筒形の要素より成る。アクチュエータを構成する円筒形要素は、一般的に、それ自体公知の技術、例えば旋盤の使用により製造が容易である。アクチュエータの円筒構造は、製造する磁気回路及びアクチュエータが必要とする空間の大きさの点で従来技術と比べて高い効率を有する。さらに、種々の要素を、例えば、ネジ及び／または圧力嵌めにより容易に組立てることができる。

さらに別の実施例において、アクチュエータは、第１及び第２の磁気回路の、スティール（例えば、快削鋼）で作られた円筒形要素より成る。この材料は常用の磁性錫鉄板と比べて安価であり、加工が容易である。これにより磁気効率が減少するのは確かであるが、これは補償可能であり、得られる経済的利点の方が大きい。

さらに別の実施例において、電磁アクチュエータは可動極片に接合された可動シャフトを有するが、このシャフトは滑り軸受により固定極片に関して移動可能である。滑り軸受を用いると、磁化可能材料及び／または他の汚染物質が極片上に蓄積されないようにアクチュエータを環境から遮断できるという利点が得られる。

さらに、本発明の電磁アクチュエータの別の実施例によると、可動極片は滑り軸受により回路片に関して軸方向にのみ移動可能である。この簡単で低コストの固定方法はアクチュエータが円筒構成により可能となる。

外部からの磁化可能粒子または他の汚染物質が第２の磁気回路の空気ギャップに蓄積されないようにするため、アクチュエータには、回路片（回路片は永久磁石と保持プレートの間の第２の磁気回路を閉じる）と、保持プレートの間の空気ギャップを遮断する防塵キャップが設けられている。再び、勿論、かかる防塵キャップはアクチュエータ内における種々のコンポーネントの移動空間を提供しなければならないが、円筒構成により装着が容易且つ低コストである。

本発明は、さらに別の局面において、円筒形要素のうちの少なくとも２つの要素をネジにより互いに固定する本発明のアクチュエータの組立て方法に係る。円筒構造であるため、円筒形要素に適当な孔部を形成するとこれを容易に行える。

別例として、またはアクチュエータの特定の部品については、さらに別の実施例において、円筒形要素のうちの少なくとも２つの要素を圧力嵌めにより互いに固定することができる。これは、特に、例えば２つの要素を製造時に軸方向に整列しなければならない場合に利点となる。例えば、ＵＳ−Ａ−５，８６４，２７４のアクチュエータでは、磁束導通ディスクと軟鉄製容器の端縁部とを、例えば、ディスク及び／または軟鉄製容器の端縁部を機械加工することにより整列する必要がある。この機械加工は別の工程であるため、アクチュエータのコストが増加する。さらに、鉄製の部品は永久磁石に引き寄せられるため、再び取り外すのが容易でない。本発明のこの実施例により製造されたアクチュエータでは、ハウジングと、永久磁石をハウジングに固定する固定片と協働して第２の磁気回路を閉じる回路片を形成するアダプタ片を固定片に、スイッチオン位置でこれら２つの部品は保持プレートに正確に当接するように、整列させることが可能である。このようにすると、接点表面に普通必要とされる研削作業が余分なものとなる。

例えば、ＵＳ−Ａ−５，８６４，２７４に記載された公知のアクチュエータは、永久磁石は容器状の本体内に配置する必要があるが、容器の内壁には接触させることはできない。これは、磁石が大きな力で容器の底に引き付けられて永久磁石が破壊される可能性があるため、正しい位置決めを行う点で非常に面倒な製造ステップである。本発明では、永久磁石はシフトさせて正しい位置に配置すると整列関係になる。

本発明は、さらに別の局面において、スイッチが少なくとも１つの可動接点を有する開閉装置に、本発明のアクチュエータのようなアクチュエータを固定する組立体であって、アクチュエータの軸方向の軸がスイッチの少なくとも１つの可動接点の作動手段の運動方向に本質的に垂直な組立体に係る。かかる構成により、利用可能な空間を効率的に利用する開閉装置が製造可能である。従来技術（例えば、上述のＷＯ９９／１４７６９または米国特許公報ＵＳ−Ａ２００２／００９３４０８を参照）では、アクチュエータの運動方向はスイッチの接点の運動方向に平行である。勿論、本発明のアクチュエータもこのように使用することが可能である。

さらに別の実施例において、組立体はさらに、アクチュエータの運動と、スイッチの少なくとも１つの可動接点の作動手段の運動の間において所定の伝動比を有する伝動手段を備えている。例えば、組立体の１つのアクチュエータがスイッチの３つの可動接点を駆動する場合、所定の伝動比は１：２と１：２．５の間であり、従来の真空スイッチと併用される場合は、好ましくは１：２．２である。この伝動比により、スイッチオン及びスイッチオフ時間、スイッチオン及びスイッチオフコイルに必要なエネルギーのような設計仕様、（接点圧力バネ、補償バネなど）のようなさらに別のエネルギー蓄積手段の設計が最適化されたアクチュエータ（及び／または開閉装置）の効率的な設計が可能となる。

図１は電磁アクチュエータ１の一実施例を示す斜視図である。アクチュエータ１は、スイッチ（図示せず）の可動接点に（直接または間接的に）接続可能な可動シャフト２を有する。本発明のアクチュエータ１の使用に好適な中電圧装置のスイッチを作動するアクチュエータは、例えば、国際公開ＷＯ９９／１４７６９号に開示されており、この文献を本願の一部として引用する。

アクチュエータ１は、可動シャフト２に接合された第１の（可動）極片３と、ハウジング５に接合された第２の（固定）極片４とより成る。可動シャフト２は滑り軸受６により第２の極片４に関して移動可能である。内部にスイッチオンコイル８がある第１のコイルホルダー７は、第１の極片３と第２の極片４の間の空気ギャップの場所にある。スイッチオンコイル８に電流を流すと、ハウジング５、第１の極片３、第２の極片４、及び第１の極片３と第２の極片４の間の空気ギャップを介する磁界が発生する（第１の極片３及び第２の極片４並びにハウジング５は導磁材料で作られている）。その結果、第１の極片３と第２の極片４の間に誘引力が生じ、その結果として可動シャフト２が左方に移動する（かくして、アクチュエータに接続されたスイッチがスイッチオンされる）。

スイッチオンコイル８の付勢に必要なエネルギーがなくてもアクチュエータ１をこのスイッチオン位置に保持するために、第２の別個の磁気回路が設けられる（上述の国際出願ＷＯ９９／１４７６９号も参照）。図示の実施例において、第２の磁気回路はディスク状のリングの形をした永久磁石９を含んでおり、この磁石の南北方向はディスク状リングの軸に平行である。このため、永久磁石９の製造は簡単且つ低コストであり、従来技術のものに比べると許容誤差が大きい。図示の実施例において、可動シャフト２は（例えば、図示のようにネジ１１により）保持プレート１０に接合されている。永久磁石９は、固定片１３の助けにより（そして、例えばネジ１６を用いて）ハウジング５に接合されている。円筒状のアダプタ片１２は永久磁石９の半径方向内側に位置して、永久磁石９の一方の極からハウジング５、アダプタ片１２、保持プレート１０及び固定片１３を介して永久磁石９のもう一方の極へ至る磁気回路を閉じる。従って、第２の磁気回路は、永久磁石９と、保持プレート１０と、第２の回路が閉じる、ハウジング５の一部、固定片１３及びアダプタ片１２が含まれる回路本体とより成る。この磁気回路を得るために、永久磁石９とアダプタ片１２の間及び固定片１３とアダプタ片１２の間には空気ギャップが存在する。第１の極片３は、滑り軸受１４を用いることにより軸方向においてのみアダプタ片に関して移動可能である。

アクチュエータ１がスイッチオンコイル８の助けにより付勢されるや否や保持プレート１０は図面で左方に移動するが、その結果、保持プレート１０と固定片１３の間及び保持プレート１０とアダプタ片１２の間の空気ギャップがますます小さくなる。空気ギャップが十分小さくなると第２の磁気回路の誘引力が非常に大きくなるが、この力がアクチュエータ１をスイッチオン位置に強制作動する上で実質的に寄与する。スイッチオン位置（空気ギャップが実質的な完全消滅状態）において、保持プレートにかかる誘引力は反対方向に作用する任意の力に抗してアクチュエータ１をこの位置に保持するに十分なものである。

国際公開ＷＯ９９／１４７６９号に記載されているように、スイッチオンコイル８の磁気回路と永久磁石９の磁気回路はそれぞれの完全に別個のものである。

アクチュエータをスイッチオフするために、コイルホルダーに収められたスイッチオフコイル１５が設けられている。スイッチオフコイル１５は、正しく作動されると、作動されるスイッチの接点圧力バネ及びオプションとしての別のスイッチオフバネ（図示せず）に蓄積されたエネルギーにより可動シャフト２が元の位置へ完全に復帰できるように永久磁石９の磁界を打ち消すような大きさである。

国際公開ＷＯ９９／１４７６９号に示すアクチュエータと比べると、スイッチオフコイル１５と永久磁石９の位置が逆になっている。本発明のアクチュエータ１では、スイッチオフコイル１５はこの位置でより効率的な動作が可能であり、その結果として、小型化が可能で、同じスイッチオフ作用を行わせるに必要な作動エネルギーが少なくてすむ。

本発明のアクチュエータ１の第２の磁気回路は国際公開ＷＯ９９／１４７６９号のアクチュエータの磁気回路より長いため、磁気抵抗が大きい。しかしながら、これはより強力な永久磁石を用いることにより容易に補償できる。このような永久磁石９の選択位置及び第２の磁気回路の構成により、永久磁石９として、ＷＯ９９／１４７６９号に必要とされる、南北方向が半径方向の円筒形永久磁石とは対照的な南北方向が軸に平行な簡単なディスク状磁石を用いることができる。従って、本発明の永久磁石９は製造が簡単且つ低コストである。

上述の実施例において、アクチュエータ１の全てのコンポーネントはその円筒形構造を可能にする。従って、ハウジング５、第１の極片３、第２の固定極片４、保持プレート１０、アダプタ片１２及び固定片１３は、例えば、快削鋼のような導磁材料を例えば、旋盤による簡単な機械加工によって容易に製造することができる。快削鋼は常用される磁性錫鉄板と比べて低コストであるという利点がある。快削鋼の磁気的性質は磁性錫鉄板ほど良くないが、比例的に多量の材料を使用することにより容易に対処できる。永久磁石９は製造または入手が容易なディスク状の磁石でよい。第２の固定極片４、永久磁石９及び固定片３０は、例えば、ネジ１６、１７によりハウジング５に容易に固定することができる。

アダプタ片１２は好ましくは円筒形であり、このためハウジング５に圧力嵌めにより固定できる。好ましくは、これを最後に行うことにより、固定片１３に対するアダプタ片１２の正しい位置決めが自動的に得られるようにする（即ち、アクチュエータ１のスイッチオン位置でアダプタ片１２及び固定片１３の端部は保持プレート１０に正確に当接する）。

ハウジング５及び可動シャフト２と第２の極片４の間の（滑り軸受６による）圧力嵌めにより、第１の極片３と第２の極片４の極表面は外部からの影響から適切に保護される。詳述すると、磁気誘引力によるアクチュエータ１内への金属粒子の侵入及びそれに起因する不具合が防止される。

アクチュエータ１のもう一方の側に同じ種類の保護を与えるには、スリーブ形の蓋１９を固定することで十分である。この蓋は圧力嵌めによりハウジング５の周面に装着できる。この場合、防塵キャップが保持プレート１０が運動するための適当な空間を与えるようにし、（例えば、保持プレート１０に孔を設けることにより）蓋内部で空気が圧縮されないようにするのが好ましい。孔の大きさ及び位置を適切に選択することにより、ゴミ粒子を吸い込んだり吐き出したりする速度を減衰させることが容易にできる。

本発明のアクチュエータ１の円筒構造は非常に堅牢な構成、磁力線の均一な分布及び保守の要らない構成を与える。

スイッチに１またはそれ以上の可動接点がある開閉装置では、アクチュエータ１によりそのスイッチの１またはそれ以上の可動接点を作動することが可能である。図２に略示する以下の実施例において、開閉装置に装着する、固定手段及び伝動手段を備えた本発明の１つのアクチュエータ１の組立体を説明する。以下に述べる構成は他のタイプのアクチュエータ１にも好適であることを指摘したい。

固定手段は、平行に配置され鏡像関係にあるためフランジ製作及び穿孔のようなそれ自体公知の機械加工により容易に製造できる２つの固定プレート２０、２１を有する。

アクチュエータ１は、取付けピン１８（図１を参照）の助けにより固定プレート２０、２１の２つのフランジ部分に取付けられる。アクチュエータ１の軸（従って、可動シャフト２の運動方向）は、第１の方向（図２の可動シャフト２の縦方向）に沿う方向である。アクチュエータ１の可動シャフト２を第２の方向（図２で垂直の方向）に本質的に垂直に移動させるような伝動手段が存在する。この第２の方向はスイッチの可動極の接点棒の運動方向である。これにより開閉装置を非常にコンパクトな構造にすることができる。

伝動手段は以下のコンポーネントより成る。可動シャフト２は第１の連結棒２２及び枢動継手２３を介して第１の伝動片２４に接続されている。この第１の伝動片２４は本質的に三角形であり、枢動継手２３はその一つの隅部にある。第１の伝動片２４は、ピン２５により反対側の隅部を中心として回転できるよう固定プレート２０、２１に固着されている。スイッチの１つの接点棒をもう一方の隅部に固着し、固定プレート２０、２１の孔部２７にピン２６を装着してピンが第２の方向にのみ移動できるようにすることが可能である。

ピン２５と２６の間の距離とピン２５と枢動継手２３の間の距離の比率を変えることにより、アクチュエータ１の可動シャフト２からスイッチの接点棒へ至る運動の伝達比を調整することができる。この伝動比は、一方では、所望の速度（スイッチのスイッチオン及びスイッチオフ速度）により、低い伝動比が大きい速度を生むように決定し、もう一方では、アクチュエータ１が発生且つ吸収しなければならない力により、大きい伝動比により力の大きな吸収が可能になるように決定される。

図２に示す実施例では、１つのアクチュエータ１によりスイッチの３つの可動接点を駆動される。これは、別のピン２８により第１の伝動片２４に固定された別の伝動棒２９により可能になる。この伝動棒２９は別のピン２８により別の２つの伝動片３０に調和的に連結されるが、これら伝動片３０は固定プレート２０、２１にさらに別のピン３１により回転できるように連結される。他のスイッチの接点棒は、固定プレート２０、２１の開口３３内で垂直に移動可能なピン３２により伝動片３０の残りの隅部に連結することができる。当業者には、例えば、第１の伝動片２４を中間に配置し、さらに別の伝動片３０をその何れかの側に設けることによりこの構成を変形できることが明らかであろう。

本発明による一個のアクチュエータ１がスイッチの３つの可動接点を作動する場合には、特定の最適伝動比があることが判明している。この最適値は１：２と１：２．５の範囲にあり、例えば、１：２．２である。これは、アクチュエータ１とスイッチの３つの可動接点の組み合わせから予想される１：３の比率よりも著しく小さい。

副次的利点として、アクチュエータのストロークが比較的長いため、第２の磁気回路の空気ギャップで発生する誘引力が比較的速い速度で減少する結果、より迅速なスイッチオフ時間が得られることがある。

当業者には、上述した実施例は本発明を説明するための実施例にすぎず、頭書の特許請求の範囲により定義される本発明の保護範囲には多数の変形例及び設計変更が含まれることが明らかであろう。

電磁アクチュエータの一実施例を示す断面図である。 駆動要素及び固定手段を備えた電磁アクチュエータの構成を示す斜視図である。

Claims (12)

1. スイッチの少なくとも１つの可動接点をスイッチオン位置またはスイッチオフ位置へ作動するための電磁アクチュエータであって、
   電磁アクチュエータ（１）は、
   ハウジング（５）と、
   スイッチオン位置に到達するまで可動極片（３）と、ハウジング（５）に固定された固定極片（４）とを互いに近づく方向に移動させるスイッチオンコイル（８）を備えた第１の磁気回路と、
   第１の磁気回路とは別個の第２の磁気回路であって、スイッチオンコイル（８）が付勢されない時にアクチュエータ（１）をバネまたは他の力に抗してスイッチオン位置に保持するための、永久磁石（９）及び可動極片（３）に接合された保持プレート（１０）を有する第２の磁気回路と、
   第２の磁気回路の磁界を打ち消してアクチュエータ（１）がスイッチオフ位置に戻れるように作動するスイッチオフコイル（１５）とを有し、
   スイッチオフコイル（１５）は、アクチュエータ（１）の軸方向において、永久磁石（９）より保持プレート（１０）に近い位置にあり、
   第２の磁気回路は、永久磁石（９）、永久磁石（９）をハウジング（５）に固定するための固定片（１３）、永久磁石（９）の半径方向内側においてハウジング（５）に固定されたアダプタ片（１２）及び保持プレート（１０）より成ることを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 永久磁石（９）はディスク状の磁石であり、その極方向はディスク状磁石（９）の軸に平行である請求項１の電磁アクチュエータ。
3. アクチュエータ（１）は本質的に円筒形の要素（２−１５）より成る請求項１または２の電磁アクチュエータ。
4. アクチュエータ（１）は第１及び第２の磁気回路内のスティールで作られた円筒形の要素（３、４、５、１０、１２、１３）より成る請求項１または２の電磁アクチュエータ。
5. 電磁アクチュエータ（１）は可動極片（３）に接合された可動シャフトを有し、そのシ
   ャフト（２）は滑り軸受（６）により固定極片（４）に関して移動できる請求項１乃至４のうちの１項の電磁アクチュエータ。
6. 可動極片（３）は滑り軸受（１４）により回路本体（５、１２、１３）に関して移動できる請求項３乃至５のうちの１項の電磁アクチュエータ。
7. アクチュエータ（１）には、回路片（５、１２、１３）及び保持プレート（１０）の対向する極表面を遮蔽する防塵キャップ（１９）が設けられている請求項１乃至６のうちの１項の電磁アクチュエータ。
8. 円筒形要素（２−１５）のうちの少なくとも２つの要素をネジにより互いに固定する請求項１乃至７のうちの１項のアクチュエータを組立てる方法。
9. 円筒形要素（２−１５）のうちの少なくとも２つを圧力嵌めにより互いに固定する請求項８の方法。
10. スイッチが少なくとも１つの可動接点を有する開閉装置に請求項１乃至７のうちの１項のアクチュエータを固定する組立体であって、 アクチュエータ（１）の軸方向がスイッチの少なくとも１つの可動接点の作動手段の運動方向に本質的に垂直であることを特徴とする組立体。
11. アクチュエータ（１）の運動と、スイッチの少なくとも１つの可動接点の作動手段の運動の間の伝動比が所定の値である伝動手段（２２−３２）をさらに備えた請求項１０の組立体。
12. １つのアクチュエータはスイッチの３つの可動接点を駆動し、所定の伝動比は１：２と１：２．５との間にあり、好ましくは１：２．２である請求項１１の組立体。

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