JP4580814B2 - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば真空バルブを操作ロッドにより開閉操作する操作機構に用いられる電磁アクチュエータに関する。

一般に、真空遮断器や真空開閉器などの開閉器において開路或いは閉路操作を行うための操作機構としては、電磁アクチュエータが使用されている。すなわち、上記電磁アクチュエータを用いた真空遮断器および開閉器は、永久磁石とソレノイドコイルを動力源として、メインシャフト等の連結部品を介して主回路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６は、上記電磁アクチュエータを用いた真空遮断器および開閉器の構造を示すものであって、それぞれ左に開路状態、右に閉路状態を示す。図６に示すように、電磁アクチュエータは、磁路を構成する円筒状のヨーク１と、非磁性体からできている操作ロッド２とともにヨーク１内を上下に可動するように設けられた磁性体であるアーマチュア３と、そのアーマチュア３を可動もしくは閉路保持するための永久磁石４と、その永久磁石４の下面に配設されたコア５と、上記永久磁石４、コア５及びアーマチュア３の外周に配置され、ヨーク内の磁束を増減させる閉路コイル６ａおよび開路コイル６ｂとから構成されている。

上記操作ロッド２の上端には連結部材７が装着されており、その連結部材７にワイプばね装置８が連結されている。上記ワイプばね装置８のワイプばね８ａには真空バルブ可動軸９が連結されており、その真空バルブ可動軸９に真空バルブ１０の可動側接触子１０ａが固着され、上記真空バルブ可動軸９の上下により上記真空バルブ１０の可動側接触子１０ａが固定側接触子１０ｂに接触或いは離間され、閉路或いは開路されるようにしてある。さらに、閉路時には、上記ワイプばね８ａにより真空バルブの可動側接触子１０ａが固定側接触子１０ｂに対して加圧されるように構成されている。また、上記連結部材７には、真空バルブの可動側接触子１０ａを開極した際に開路状態を保持するための力が開路ばね１１により加えられている（特開２００２−２７０４２３号公報参照）。なお、図中符号１２はヨーク１の開放端部を密閉するように設けられた非磁性材からなるストッパプレートである。

しかして、上記開閉器の開閉動作は、次のように行われる。開路状態で閉路指令が入力されると、永久磁石４による磁束とともに閉路コイル６ａの励磁による永久磁石４の磁束と同方向の磁束が生じ、アーマチュア３がコア５とアーマチュア３のギャップ１３を縮める方向に吸引される。これにより、アーマチュア３とともに真空バルブ可動軸９と連結されている操作ロッド２が押上げられ、可動側接触子１０ａが固定側接触子１０ｂに接触され、開閉器は閉路状態となる。閉路状態では、閉路コイル６ａは無励磁であり、閉路保持は永久磁石４による磁力のみである。

一方、閉路状態で開路指令が入力されると、永久磁石４による磁束とともに開路コイル６ｂの励磁による永久磁石４の磁束と逆方向の磁束が生じる。そのため、ヨーク１やコア５等により構成されている磁路内の磁束が減少し、ワイプばね８ａおよび開路ばね１１による開路方向荷重の作用により、アーマチュア３が開路方向に移動する。これにより、アーマチュア３とともに操作ロッド２が引下げられ、開路状態となる。

このような構造により、アーマチュア３の動きと真空バルブ可動側接触子１０ａの動きが連動し、真空遮断器や真空開閉器などの開閉器の開閉操作が行われる。
特開平２００２-２７０４２３号公報

ところが、前記のような電磁アクチュエータにおいては、閉路コイルを励磁することにより、ギャップに磁束を発生させ、アーマチュアを閉路方向に動作させるものであり、電磁アクチュエータを小型化した場合、ギャップの断面積も小さくなる。一方、吸引力は断面積に比例するため、断面積が小さくなると吸引力が弱くなり、同じ力を得るためにコイル電流が増加し、大きな電力が消費されるという問題があった。

本発明は、このような点に鑑み、電磁アクチュエータを小型化した場合においても大きな力を発生させることのできる電磁アクチュエータを得ることを目的とする。

本発明は、磁路を形成するためのヨークと、このヨーク内を可動するように設けられたアーマチュアと、このアーマチュアを可動もしくは閉路保持させておく永久磁石と、上記永久磁石の一端面に設けられ、上記アーマチュアと対向するコアと、前記ヨーク内の磁力を増減させるためのソレノイドコイルとを有する電磁アクチュエータにおいて、上記アーマチュアにおける前記コアと対向する部分に、その断面積がアーマチュア中央部の断面積よりも大きい大径部が形成されていることを特徴とする。

本発明は、アーマチュアにおける前記コアとは反対側に、上記アーマチュアの側面に対向するようにヨークの内周面から突設されたヨーク凸部の端面と対向するフランジ状部を形成するとともに、上記アーマチュアの側面と上記ヨーク凸部の内周面とのギャップが、開閉器の可動側接触子を加圧するワイプばねに負荷がかかる直前における、ヨーク凸部と上記アーマチュアのフランジ状部間のギャップ寸法よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする。

本発明は、前記アーマチュアの大径部とヨーク凸部とのギャップを、アーマチュア側面とヨーク凸部とのギャップよりも大きくなるように形成したことを特徴とする。

本発明は、永久磁石の断面積が、アーマチュアと対向する永久磁石の端部に存在するコアの断面積よりも小さく形成されていることを特徴とする。

本発明は、開閉器において、上記記載の電磁アクチュエータを備えていることを特徴とする。

本発明は、上述のように構成したので、電磁アクチュエータを小型化した場合においても、電流を増加させることなくアーマチュアに発生する吸引力を大きくすることができる、しかも、アーマチュアの軽量化を図ることができ、アーマチュアの動作速度を大きくすることができる。

以下、図１乃至図５を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図６と同一部分については同一符号を付しその詳細な説明は省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態における電磁アクチュエータを有する開閉器の断面図であって、それぞれ左に開路状態、右に閉路状態を示す。

開閉器の開閉を行う真空バルブの可動接触子を可動させるための操作ロッド２を動かす原動力である電磁アクチュエータの構造は、ヨーク１、コア５およびアーマチュア３の磁路を構成する磁性構成物と、ストッパプレート１２および操作ロッド２の非磁性構成物と、永久磁石４と、閉路コイル６ａおよび開路コイル６ｂの磁束を発生させる動力発生部品から構成されている。電磁アクチュエータの全体形状は円筒形であり、それに合わせるように構成部品は円筒形状である。操作ロッド２には、閉路時に真空バルブの固定側接触子１０ｂと可動側接触子１０ａとを加圧するために設けられたワイプばね装置８が取付けられており、そのワイプばね装置８のワイプばね８ａが真空バルブ可動軸９に連結されている。

磁路を構成するヨーク１は、磁気漏洩を少なくするために円筒構造となっている。ヨーク１の内周面には周方向に延びるヨーク凸部２０が突設されている。電磁アクチュエータのヨーク１内中心軸線上には、アーマチュア２１を可動させ、もしくは閉路保持するための永久磁石４が配置され、その永久磁石４の下部には、吸引力を発生する吸着面であるコア５が設けられている。また、上記永久磁石４及びコア５を貫通する操作ロッド２にはコア５と対面するようにアーマチュア２１が設けられており、そのアーマチュア２１が操作ロッド２とともにヨーク１内で上下に移動可能になっている。また、ヨーク１の内周面には、永久磁石４、コア５およびアーマチュア２１の周囲を囲むように閉路コイル６ａおよび開路コイル６ｂが配置され、これらを励磁することにより、ヨーク１、コア５およびアーマチュア２１内の磁束を増減させてアーマチュア２１を上下に可動させる構造となっている。

上記アーマチュア２１の前記コア５と対向する上端部には、その断面積がアーマチュア２１の中央部２１ａの断面積よりも大きい大径部２１ｂが形成されており、また、上記アーマチュア２１におけるコア５と反対側には、上記アーマチュア２１の側面に対向するようにヨーク１の内周面から突設された周方向に延びるヨーク凸部２０の下端面と対向するフランジ状部２１ｃが形成されている。

そこで、この電磁アクチュエータにおいては、閉路コイル６ａを励磁させることによりコア５とアーマチュア２１の大径部２１ｂとの間のギャップ２３ａ、およびヨーク凸部２０とフランジ状部２１ｃとの間のギャップ２３ｂに吸引力を発生させることで、アーマチュア２１をギャップ２３ａおよび２３ｂを縮める方向に動作させ、開閉器を開路状態にさせる。 ところで、電磁アクチュエータを小型化することを考慮した場合、ギャップ２３ａにおけるアーマチュア上部の断面積が小さくなることが考えられる。ところが、アーマチュア２１に発生する吸引力はこの断面積に比例し、ソレノイドコイル起磁力の２乗に比例する。そのため、断面積が小さくなるとこの吸引力が減少する。そこで、吸引力を維持するにはソレノイドコイルの起磁力が増加し、すなわちコイル電流が増加し、制御回路等の電流容量を大きくしなければならず、コストが増加する等の問題がある。

このようなことから、本実施の形態においては、アーマチュア２１の中央部２１ａに比べアーマチュア２１の上部に、中央部２１ａの断面積より大きな断面積を有する大径部２１ｂが設けられている。こうすることにより、ギャップ部２３ａの断面積を大きくすることができ、大きな吸引力を発生させることができる。そのため、電流を増加させることなくアーマチュア２２に発生する吸引力を大きくすることができる。また、アーマチュア中央部２１ａの断面積をアーマチュア上部の大径部２１ｂの断面積よりも小さくすることにより、アーマチュア２１の軽量化につながり、アーマチュアの動作速度を大きくすることができる。

図２に真空遮断器の一般的な負荷特性を示す。開閉器には可動側接触子１０ａが通電電流等の電磁反発力により開かないよう、可動側接触子１０ａを加圧するためのワイプばね８ａが設けられている。そのため、可動接触子１０ａが固定側接触子１０ｂに接触すると上記ワイプばね８ａが作動し、電磁アクチュエータには図２に示すように階段状の負荷がかかることとなる。そこで、電磁アクチュエータには、このワイプばね８ａの力に打ち勝つ力が必要とされる。

図３に、アーマチュア動作時の磁気回路を示す。図３（a）に示すように、ヨーク１の凸部２０とフランジ状部２１ｃとの間のギャップ２３ｂがアーマチュア中央部２１ａの外側面とヨーク凸部２０の内周面とのギャップａより大きい部分では、磁束は上記ヨーク凸部２０からアーマチュア中央部２１ａへ向かう磁気回路Ａを通り、吸引力は中央ギャップ２３ａに発生する力のみである。一方、図３（b）に示すように、ヨーク凸部２０とフランジ状部２１ｃとの間のギャップ２３ｂがアーマチュア中央部２１ａの外側面とヨーク凸部２０の内周面とのギャップａより小さい部分では、磁束はヨーク凸部２０からアーマチュア２１のフランジ状部２１ｃへ向かう磁気回路Ｂを通ることになり、ギャップ２３ａでの吸引力とともに下部のギャップ２３ｂにおいても吸引力が発生する。

しかして、中央ギャップ２３ａおよび下部ギャップ２３ｂの２段で吸引力が発生することにより、大きな力を発生させることができる。

そこで、本発明の第２の実施の形態における電磁アクチュエータは、アーマチュア２１の側面とヨーク凸部２０とのギャップａを、ワイプばね８ａに負荷がアーマチュア２１にかかる直前におけるヨーク凸部２０とアーマチュア２１のフランジ状部２１ｃとの間のギャップよりも大きくすることにより、ワイプばね８ａの負荷がアーマチュア２１にかかる直前になると２段分の吸引力が発生し、アクチュエータに大きな吸引力を発生させることができる。しかして、アクチュエータ２１をワイプばね８ａの力に抗して確実に作動させることができる、。

また、図４に示すように、開閉器が開極状態の時にアーマチュア２１の大径部２１ｂとヨーク凸部２０との間のギャップｂが、アーマチュア２１の側面とヨーク凸部２０とのギャップａより小さくなるようなものにおいては、この状態において投入動作時に閉路コイル６ａを励磁した際には、永久磁石４の発生する磁束は、ヨーク凸部２０からアーマチュア２１の大径部２１ｂへ向かう磁気回路Ｃを通ることとなり、アーマチュア２１をコア５と反対の下方向に移動させる吸引力が発生することとなる。そのため、アーマチュア２１を可動接触子を閉方向に動作させるのに要する力が大きくなり、コイル電流が増加してしまう。

そこで、本発明においては、図１等に示すように、アーマチュアの大径部２１ｂとヨーク凸部２０とのギャップｂが、アーマチュア２１の側面とヨーク凸部２０とのギャップａよりも大きくなるように形成されている。しかして、可動接触子を閉方向に作動させる場合には、磁束は上記ヨーク凸部２０からアーマチュア中央部２１ａへ向かう磁気回路を通り、アーマチュア２１を下方向へ向かう吸引力が発生することはない。すなわち、ギャップｂをギャップａより大きくすることにより、下方向への吸引力を減少させ、コイル電流を増加させないようにすることができる。

図５は、本発明の他の実施の形態を示す図であり、永久磁石４の断面積が、アーマチュア２１と対向する上記永久磁石４の端部に存在するコア５の断面積よりも小さく形成されている。しかして、この実施の形態においては、アーマチュア２１の大径部２１ｂの断面積をアーマチュア中央部２１ａの断面積よりも大きくしたことによる効果に加え、コア５の断面積を変えずに永久磁石４の断面積を小さくすることで、永久磁石４の使用量を最小限に抑えることができ、コストの低減を図ることができる。また、コア５の断面積が変化しないため、投入動作時のギャップ２３ａにおける吸引力も低下することはない。

本発明の電磁アクチュエータを有する開閉器の断面図。 真空遮断器の一般的な負荷特性を表す図。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１のギャップ部の磁気回路を説明する図。 開閉器が開極状態の時にギャップｂがギャップａより小さい場合における磁気回路の説明図。 本発明の第２の実施の形態を示す断面図。 従来の電磁アクチュエータを有する開閉器の断面図。

符号の説明

１ ヨーク
２ 操作ロッド
４ 電磁石
５ コア
６ａ 閉路コイル
６ｂ 開路コイル
８ ワイプばね装置
８ａ ワイプばね
１０ａ 可動側接触子
１０ｂ 固定側接触子
２０ ヨーク凸部
２１ アーマチュア
２１ａ アーマチュア中央部
２１ｂ 大径部
２１ｃ フランジ状部
２３ａ、２３ｂ ギャップ

Claims (1)

1. 磁路を形成するためのヨークと、このヨーク内を可動するように設けられてワイプばねに連結されたアーマチュアと、このアーマチュアを可動もしくは閉路保持させておく永久磁石と、前記永久磁石の一端面に設けられ、前記アーマチュアと対向するコアと、前記ヨーク内の磁力を増減させるためのソレノイドコイルとを有し、
   前記アーマチュアには前記コアと対向する一方端部に、その断面積がアーマチュア中央部の断面積よりも大きい大径部を形成し、他方端部にその断面積がアーマチュア中央部の断面積よりも大きいフランジ状部を形成し、
   前記ヨークには、前記アーマチュアの側面に対向するとともに、内周面から突出したヨーク凸部を突設し、
   前記アーマチュアが移動してワイプばねが圧縮される直前において、前記アーマチュアの側面と前記ヨークの内周面との間の半径方向のギャップは、前記ヨーク凸部とフランジ状部との間のアーマチュアの移動方向のギャップよりも大きいことを特徴とする、電磁アクチュエータ。

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