JP4625032B2 - 電磁気力を用いたアクチュエータ及びそれを用いた遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統に使われるアクチュエータ及び遮断器に係り、より詳しくは、小型で且つ軽量でありながら操作速度と操作力を極大化可能な電子反発力を用いたアクチュエータ及び該アクチュエータを用いて優れた遮断性能を発揮することにより、特に高圧及び超高圧遮断器に有効に適用することができ、低圧用としても容易に適用することができる遮断器に関する。

遮断器は、主として送電線路の送電端または受電端に配設され、電力系統に故障がない時における正常電流の開閉はもとより、短絡などの故障が発生した時に故障電流を遮断することで系統及び各種の電力機器（負荷）を保護する。

この種の遮断器は、消弧／絶縁媒質によって真空遮断器（ＶＣＢ：Ｖａｃｕｕｍ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ）、オイル遮断器（ＯＣＢ：Ｏｉｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ）、ガス遮断器（ＧＣＢ：Ｇａｓ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ）などに分類できる。

遮断器が故障電流を遮断する時は、両接点の間から発生するアークを消弧する必要がある。
上記ガス遮断器は、アークを消弧する方式によって更に、パッファ消弧型（Ｐｕｆｆｅｒ ｔｙｐｅ）、ロータリーアーク消弧型（Ｒｏｔａｔｉｎｇ ａｒｃ ｔｙｐｅ）、熱膨脹消弧型（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｔｙｐｅ）、複合消弧型（Ｈｙｂｒｉｄ ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ）などに分類できる。

添付した図１及び図２には、上記遮断器のうちパッファ消弧型ガス遮断器が一例として示されている。

パッファ消弧型ガス遮断器は、ＳＦ６ガス（六フッ化硫黄、以下、「消弧性ガス」と称す）を消弧／絶縁媒質とし、主として超高圧級（通常は、７２．５ｋＶ級以上）遮断器に使われている。

図１及び図２に示すように、パッファ消弧型ガス遮断器は、大別して、故障電流を遮断するための遮断部１０と、遮断部１０の操作のためのアクチュエータ５０とから構成されている。

上記遮断部１０は、固定部と可動部とからなり、内部にＳＦ６ガスが充填された容器２内に設けられる。

上記遮断部１０における固定部は、固定アーク接触子１１と固定主接触子１２を備え、また絶縁筒１３と、固定ピストン１４と、支持台１５、及び支持碍子１６などを備える。

上記遮断部１０における可動部は、可動アーク接触子２１と、可動主接触子２２と、絶縁ノズル２３と、パッファシリンダー２４、及び絶縁操作ロッド２５を備える。

上記絶縁操作ロッド２５には、上記アクチュエータ５０の作動ロッド５１が連結されている。また、上記絶縁操作ロッド２５には、上記可動アーク接触子２１と、可動主接触子２２と、絶縁ノズル２３、及びパッファシリンダー２４が一体で連結されている。

したがって、上記アクチュエータ５０が駆動されると、上記作動ロッド５１によって上記絶縁操作ロッド２５が移動する。上記絶縁操作ロッド２５の移動に伴い、上記可動アーク接触子２１、可動主接触子２２、絶縁ノズル２３、及びパッファシリンダー２４が一体で移動することで閉極（電流投入）動作と開極（電流遮断）動作を行うようになる。

具体的には、正常状態では図１に示すように、閉極状態を保持しながら正常電流を流すようになる。

しかしながら、一旦電力系統に異常が発生して正常電流の数倍（例えば、約１０倍）に達する故障電流が流れると、その故障電流によってアクチュエータ５０が作動する。その結果、図２に示すように、上記アクチュエータ５０による上記作動ロッド５１が引っ張られ、作動ロッド５１が絶縁操作ロッド２５を引っ張るようになる。したがって、固定アーク接触子１１から可動アーク接触子２１が離れ、固定主接触子１２から可動主接触子２２が離れる。

これと同時に、パッファシリンダー２４が固定ピストン１４に対抗する方向に引っ張られることでパッファシリンダー２４内部の消弧性ガスを圧縮させる。圧縮された消弧性ガスは、吸気口１７と流路１８を通って、図２に示す矢印方向に吹き付けられて固定アーク接触子１１と可動アーク接触子２１の間に発生するアークプラズマを迅速に消滅させ、その結果、電流が遮断される（開極状態）。

この種の遮断器において、故障電流を遮断し極間の絶縁を迅速に回復するためには開極動作が高速で行われる必要がある。しかしながら、アークプラズマが形成されて、開極の間隙を開けるだけではアーク消弧が完全に行われないため、前述した如く消弧ガスを吹き付ける必要がある。したがって、アクチュエータ５０は、消弧ガスを圧縮させるための力、即ち、パッファシリンダー２４を固定ピストン１４に対抗して可動させるための力まで担わなければならない。即ち、開極速度を高めるためには操作力を大きく増大させる必要があるため、アクチュエータ５０には一層大きな力と高速度が要求されるのである。

例えば、送電用高圧／超高圧（通常、３６５ｋｖ以上）用遮断器は、開極間隙（ＳＬ：Ｓｔｒｏｋｅ Ｌｅｎｇｔｈ）が２５０ｍｍ程度になり、４５ｍｓという極めて瞬時に動作ができるほどの大きな力と高速度を要求する。

現在、高圧／超高圧用遮断器には、主に油圧アクチュエータまたは空圧アクチュエータが使われている。しかしながら、この種のアクチュエータは、遮断器全体価格の１／３を占めるほど高価であり、我が国では、その大半を輸入に依存しているという問題がある。また、この種の油圧または空圧アクチュエータは、周囲の温度変化によっては作動流体が漏れるおそれがある。また、この種のアクチュエータは、多くの部品からなるため、それら部品のうち一つでも故障するとアクチュエータ全体が動作しなくなるおそれがある。

したがって、上記油圧または空圧アクチュエータを代替できるアクチュエータを開発するための研究が全世界的に行われている。その研究結果としては、スプリング型アクチュエータ（スパイラルスプリング）、モータードライブ（モーターを利用して回転運動を直線運動に転換させるシステム）、及びＰＭＡアクチュエータ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒ；永久磁石型アクチュエータ）が代表的に使用されている。

しかし、上記スプリング型アクチュエータは、スプリングを圧縮した状態から必要に応じてその圧縮力を解除することで動力を得るシステムであるため、製造コストは低廉であるものの、スプリングの弾性力が一定でないことから動作状態に対する信頼性が低いという短所がある。そのため、消弧ガスを吹き付ける必要がある高圧／超高圧用遮断器への適用には不向きであるだけでなく、それを適用すると遮断失敗の確率が非常に大きくなる。

上記モータードライブは、空圧または油圧に比べては製造コストが低廉であるが、それでも高価であって、大きな力を出し難いという問題点を抱えており、低圧用としての使用は可能であるが、高圧／超高圧では性能を十分に発揮し難い。

上記ＰＭＡアクチュエータは、永久磁石から発生する磁界の力とコイルに電流を流すことで発生させた磁界による電子力によって可動子を動作させる仕組みとなっている。したがって、非常に簡単な構造を有しており、その操作に対する効率も良く、一定で且つ均一な動作が期待できるという長所があるため、最近、低圧遮断器用アクチュエータとして汎用されている。

しかしながら、上記ＰＭＡアクチュエータは、永久磁石から発生する磁界の力とコイルに電流を流すことで発生させた磁界の力で駆動されるシステムであるため、磁界が流れる経路を磁性体（鉄心）で作る必要があり、更には可動する可動子も磁性体からなる必要がある。したがって、遮断容量が増大することでアクチュエータに一層大きな力を要する場合は、多くの磁界を発生させる必要があり、その磁界が飽和（磁気飽和状態：磁性体がある程度磁化が進むと、更に電流を強くしても磁化がそれ以上進まない「磁気飽和状態」に至り、磁気飽和状態では電流を継続して増大させても一定限度以上の力が得られない）に至ることなく流れるように磁性体もその分大きくなる必要があることからアクチュエータの大きさに対する負担が大きくなり、永久磁石とコイルで励磁された磁束密度は、空隙長さの二乗に反比例するため、遮断部の接点間隙が大きい高圧／超高圧用遮断器に適用するのに限界がある。例えば、開極間隙が２０ｍｍ程度となる低圧用遮断器のアクチュエータとしてＰＭＡを適用した場合、最適化されたモデルの大きさ（横×縦×厚さ）が２００×２５０×１００ｍｍになるので、その重量だけでも１０ｋｇ以上となる。したがって、上記ＰＭＡアクチュエータが超高圧用遮断器に使用されると、遮断器が非常に大型にならざるを得なく、また、油圧または空圧アクチュエータを使用する場合に比べて重くなり、製造コストも増大するようになる。しかしながら、今までＰＭＡアクチュエータを高圧／超高圧用遮断器に適用するための好適な方法が見つかっていない実情である。

そこで、本発明は、上記したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、軽量で小型でありながら操作速度と操作力を極大化可能な電磁気力を用いたアクチュエータ及び該アクチュエータを用いて優れた遮断性能を発揮することにより、特に超高圧及び高圧用遮断器として有効に使用することができ、また低圧用としても使用することができる遮断器を提供することにある。

前述した目的を達成するための本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータは、磁性体からなる中空の内筒体と、磁性体からなり、上記内筒体と同心状に上記内筒体から半径方向の外側に一定間隔を保持して設けられる外筒体と、それぞれ上記内筒体の外面と上記外筒体の内面に接して互いに一定間隔を保持して配設される内側および外側永久磁石と、上記内側永久磁石と外側永久磁石の間に軸方向に直線移動自在に設けられるコイル、及び上記コイルがその一端部に設けられ、上記コイルに電流が供給されると、上記内側および外側永久磁石による磁界と上記コイルの電流密度による電子反発力によって上記内側永久磁石と外側永久磁石の間を軸方向に直線運動する非磁性体の可動子と、を含んでなることを特徴とする。

このような本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータは、永久磁石による磁界とコイル電流による電界によって発生する力で可動子を作動させる構造となっているため、小型で且つ軽量でも大きな操作力と操作速度を発揮する。

上記本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータにおいて、上記非磁性体の可動子は、一端部に上記コイルが設けられ、上記内側永久磁石と外側永久磁石の間で軸方向に直線運動自在に設けられる可動リング体、及び上記内筒体の内側に直線移動自在に設けられると共に、その一端部が上記可動リング体に連結され該可動リング体によって軸方向に直線移動する可動軸とを含んでなるものであってもよい。

上記本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータにおいて、上記内側永久磁石と外側永久磁石は、超伝導磁石からなるものであってもよい。

上記本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータにおいて、さらに、磁性体からなり、上記内筒体と外筒体の両端部を塞ぐことにより円滑な磁界の流れを誘導する第１および第２の端部板を含むことが好ましい。

一方、本発明において、遮断器は、磁性体からなる中空の内筒体と、磁性体からなり、上記内筒体と同心状に上記内筒体から半径方向の外側に一定間隔を保持して設けられる外筒体と、それぞれ上記内筒体の外面と上記外筒体の内面に接して互いに一定間隔を保持して配設される内側および外側永久磁石と、上記内側永久磁石と外側永久磁石の間に軸方向に直線移動自在に設けられるコイルと、上記コイルがその端部に設けられ、上記コイルに電流が供給されると、上記内側および外側永久磁石による磁界と上記コイルの電流密度による電子反発力によって上記内側永久磁石と外側永久磁石の間を軸方向に直線運動する非磁性体の可動子、及び上記可動子の他端部に連結され、上記可動子によって直線運動することで閉極動作と開極動作を行う絶縁操作ロッドと、を含んでなることを特徴とする。

本発明の遮断器において、上記内側永久磁石と外側永久磁石は、超伝導磁石からなるものであってもよい。

本発明の遮断器において、上記非磁性体の可動子は、一端部に上記コイルが設けられ、上記内側永久磁石と外側永久磁石の間で軸方向に直線運動自在に設けられる可動リング体、及び上記内筒体の内側に直線移動自在に設けられ、その一端部が上記可動リング体に連結されると共にその他端部が上記絶縁操作ロッドに連結されて、上記可動リング体によって軸方向に直線移動することで上記絶縁操作ロッドを移動させる可動軸と、を含むことができる。

本発明のある実施形態にかかる遮断器において、さらに、磁性体からなり、上記内筒体と外筒体の両端部を塞ぐことにより円滑な磁界の流れを誘導する第１および第２の端部板を含んでもよい。

本発明のある実施形態にかかる遮断器において、さらに、上記可動子の開極方向の移動末尾となる地点部分に設けられて衝撃力を吸収する緩衝手段を含んでもよい。

本発明のある好ましい実施形態において、上記緩衝手段は、圧縮コイルスプリングからなるものであってもよい。

本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータは、内部に環状のチャンバが形成されている磁性体の胴体と、上記胴体のチャンバ内部に半径方向に一定間隔を保持して同心状に設けられる環状の内側永久磁石及び外側永久磁石、及び環状のコイルを有し上記内側永久磁石と内側永久磁石の間に軸方向に直線移動自在に設けられ、上記コイルに電流が供給されると、上記内側永久磁石と上記外側永久磁石による磁界と上記コイルの電流密度による電子反発力によって上記内側永久磁石と外側永久磁石の間を軸方向に直線運動する可動子と、を含んでなることを特徴とする。

上記本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータにおいて、上記内側および外側永久磁石の両端部のそれぞれには、環状の第１の内側および外側補助永久磁石と第２の内側および外側補助永久磁石が設けられ、上記可動子は、該コイルの両端部のそれぞれに環状の第１の磁性体リングと第２の磁性体リングが配設されて上記コイルと一体化された形態からなるものであってもよい。

本発明のある実施形態において、上記第１の内側および外側補助永久磁石と第２の内側および外側補助永久磁石の極性は、上記内側永久磁石と外側永久磁石の極性と逆方向に配設されることが好ましい。

本発明のある実施形態において、上記内側永久磁石と外側永久磁石は、超伝導磁石からなるものであってもよい。

上記本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータにおいて、上記コイルと第１および第２の磁性体リングは、絶縁体ハウジング中に埋め込まれて一体化されることが好ましい。

本発明のある実施形態において、上記絶縁体ハウジングは、プラスチック材からなることが好ましい。

上記本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータにおいて、上記可動子の軸方向移動末尾に上記可動子の端部が胴体に衝突することを防止するために、上記可動子の両端部側に第１および第２の緩衝手段を設けてもよい。

本発明のある実施形態において、上記第１および第２の緩衝手段は、圧縮コイルスプリングからなるものであってもよい。

または、上記第１および第２の緩衝手段は、圧縮コイルスプリングからなり、上記内側永久磁石と外側永久磁石の間に配設してもよい。

上記本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータにおいて、上記可動子の一端部には、複数本の非磁性体のロッドが連結され、上記複数本の非磁性体ロッドの端部には被動部に連結されるための支持台を設けてもよい。

本発明の他の実施の形態による遮断器は、本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータと、上記アクチュエータの可動子によって直線運動することで閉極動作と開極動作を行うために、上記可動子に連結される絶縁操作ロッドを含むことを特徴とする。

本発明の第３の実施の形態によるアクチュエータは、磁性体からなる一つの胴体内部に複数の電磁石操作部が設けられ、上記複数の操作部は、それぞれ半径方向に一定間隔を保持して同心状に設けられる環状の内側永久磁石及び外側永久磁石と、環状のコイルを有し上記内側永久磁石と内側永久磁石の間に軸方向に直線移動自在に設けられ、上記コイルに電流が供給されると、上記内側永久磁石と上記外側永久磁石による磁界と上記コイルの電流密度による電子反発力によって上記内側永久磁石と外側永久磁石の間を軸方向に直線運動する可動子と、上記複数の可動子に連結される複数本のロッド、及び上記複数本のロッドの端部を一つに連結する支持台と、を含んでなることを特徴とする。

上記本発明の第３の実施の形態によるアクチュエータにおいて、上記内側および外側永久磁石の両端部のそれぞれには、環状の第１の内側および外側補助永久磁石と第２の内側および外側補助永久磁石が設けられ、上記可動子は、該コイルの両端部のそれぞれに環状の第１の磁性体リングと第２の磁性体リングが配設されて上記コイルと一体化された形態からなるものであってもよい。

本発明のある実施形態において、上記内側永久磁石と外側永久磁石は、超伝導磁石からなるものであってもよい。

本発明のさらに他の実施の形態による遮断器は、上記本発明の第３の実施の形態によるアクチュエータ及び上記アクチュエータの複数の可動子によって直線運動することで閉極動作と開極動作を行うために、上記支持台に連結される絶縁操作ロッドを含むことを特徴とする。

以上で説明した本発明によるアクチュエータでは、永久磁石による磁界とコイルの電流密度による電子反発力によって可動子を作動させる構造を有するため、小型で且つ軽量でも大きな操作力と操作速度を発揮することができるという長所がある。

また、本発明の遮断器においては、大きな力と高速で遮断動作が行われるため、特に、超高圧及び高圧遮断器に有用に適用することができ、低圧用としても適用し易いという長所がある。

発明の実施するための最良の形態

以下、添付した例示図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を詳述する。

（実施例１）
添付した図３及び図４は、本発明の好適な第１の実施の形態によるアクチュエータを示す図である。図３は、アクチュエータの構成を示す断面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。

図３における右図は、アクチュエータが作動する前の状態（閉極状態）を示し、左図は、アクチュエータが作動した後の状態（開極状態）を示している。

図３及び図４に示すように、本発明によるアクチュエータ１００は、電磁石アクチュエータ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ ｄｒｉｖｉｎｇ Ａｃｔｕａｔｏｒ：ＥＭＦＡ）であって、内筒体１１０と、外筒体１２０と、内側および外側永久磁石１３０、１３２と、コイル１４０、及び可動子１５０とを含んでなる。

上記内筒体１１０と外筒体１２０は、磁性体からなり、半径方向に互いに一定間隔を保持して同心状に配設される。

上記内側永久磁石１３０は、上記内筒体１１０の外面に接して設けられ、上記外側永久磁石１３２は、上記外筒体１２０の内面に接して設けられる。したがって、上記内側永久磁石１３０と外側永久磁石１３２は、半径方向に一定の間隔を保持するようになる。

上記コイル１４０は、上記内側永久磁石１３０と外側永久磁石１３２の間に軸方向に直線移動自在に設けられる。該コイル１４０には、給電線１４２を介して電流が供給される。

上記可動子１５０は、非磁性体からなり、その一端部には上記コイル１４０が設けられる。したがって、上記可動子１５０は、上記コイル１４０に電流が供給されると、上記内側永久磁石１３０と上記外側永久磁石１３２による「磁界」と上記コイル１４０電流による「電界」によって発生する力で上記内側永久磁石１３０と外側永久磁石１３２の間を軸方向に直線運動する。

図面に示した具体的な実施の形態において、上記可動子１５０は、可動リング体１５２と可動軸１５４とを含む。

具体的に、上記可動リング体１５２は、上記内側永久磁石１３０と外側永久磁石１３２の間に軸方向に直線運動自在に設けられる。上記可動リング体１５２の一端部には、上記コイル１４０が設けられる。したがって、上記コイル１４０に電流が供給されると、上記可動リング体１５２がコイル１４０と共に軸方向に直線移動する。

上記可動軸１５４は、上記内筒体１１０の中心に直線移動自在に設けられる。さらに、上記可動軸１５４の一端部が上記可動リング体１５２に連結される。したがって、上記可動軸１５４は、上記可動リング体１５２と一体で軸方向に直線移動する。

図３に示す実施の形態において、上記可動リング体１５２と可動軸１５４とは、連結軸１５６と連結板板１５８を介して一体化された構造を有する。

上記連結軸１５６は、上記可動リング体１５２から複数本延在し、該複数本の連結軸１５６の端部に上記連結板１５８が連結されている。

上記可動軸１５４は、上記連結板１５８の中央から延在し、上記内筒体１１０の内側中心を直線移動自在な状態に挿通している。

一方、上記内筒体１１０と外筒体１２０の両端部には、第１および第２の端部板１６０、１６２が備えられる。

上記第１および第２の端部板１６０、１６２は、磁性体からなり、上記内筒体１１０と外筒体１２０の両端部を塞ぐことで内筒体１１０と外筒体１２０の間に磁界が円滑に流れるように導く役割を果たす。このとき、上記連結軸１５６は、上記第２の端部板１６２を通って上記連結板１５８に連結される。

このような本発明のアクチュエータは、フレミングの左手の法則を応用して上記永久磁石１３０、１３２による磁界と上記コイル１４０電流による電界によって発生する力で上記可動子１５０を直線移動させるようにした電磁石アクチュエータ（ＥＭＦＡ）である。

図３における左図のように、上記アクチュエータ１００のコイル１４０に電流を印加すると、上記永久磁石１３０、１３２による磁界とコイル１４０の電界によってコイル１４０を軸方向に移動させようとする力が働く。その結果、上記コイル１４０が上記可動子１５０と共に軸方向に移動する。

詳述すれば、上記コイル１４０に、図３における左図に示すような方向に電流を流すと、コイル１４０が図面上の下方へ移動しようとする力を受けるようになり、その結果、コイル１４０及び可動リング体１５２が下方へ移動する。

このように可動リング体１５２の下方への移動に伴い、上記可動リング体１５２に連結されている可動軸１５４が下方へ移動すると、図３における右図に示すような状態を保持するようになる。

上記のような本発明のアクチュエータ１００は、永久磁石１３０、１３２による磁界が形成される空間に設けられているコイル１４０に磁界の直角方向に電流を流すことで軸方向に移動する力を得る原理を有する。

上記従来技術の欄で説明したように、一般のＰＭＡアクチュエータは、永久磁石から発生する磁界の力とコイルに電流を流することで発生させた磁界の力で可動子を動かすシステムであるため、磁界が流れる経路を磁性体で作る必要があり、また、可動する可動子も磁性体からなる必要がある。

したがって、より大きな操作力を得るためには、コイルに電流を多く流す必要があるが、磁性体の飽和問題のため電流を継続して増大させても一定限度以上の操作力が得られない。また、このような問題を解決するためには、磁性体の大きさを大きくする必要があるため、アクチュエータが大型化するという問題が生じ、永久磁石とコイル電流によって励磁された磁束密度は、空隙距離の二乗に反比例するため、遮断部の接点間隙の大きい高圧及び超高圧用遮断器に適用するのには限界がある。

しかしながら、本発明のアクチュエータは、フレミングの左手の法則を応用して磁界が形成されている空間に電流を直角方向に流すことにより可動子に力、即ち、Ｆ＝∫（Ｊ×Ｂ）ｄｕ（Ｊ：電流密度、Ｂ：磁束密度）を得る原理を有する。

従来の永久磁石による磁界は、前述したように磁性体の飽和問題が生じ、磁束密度が空隙距離に大きく影響されるようになる。しかしながら、本発明によるアクチュエータ１００は、永久磁石によってコイル１４０部分に磁界が形成されている状態で、その磁界の垂直方向にコイル１４０電流による電流密度を形成させて、フレミングの左手の法則による電子反発力を利用しているため、コイル１４０に流す電流の量が直ちに力に転換されるシステムである。したがって、コイル１４０に電流を多く流すと、その分大きな力が得られるのである。

したがって、本発明のアクチュエータ１００では、コイル１４０電流によって励磁された磁界から発生した電子力が空隙に及ぼす力を用いるのではない、コイル１４０領域における外部磁束密度と電流密度による電子反発力によって動作するため、電子力が及ぶ所の磁性体の飽和問題を考慮する必要がなく、単にコイル１４０の巻数を多くし、電流の強さを大きくさえすればより大きな操作力が得られるため、アクチュエータの大きさと重量を大幅に低減することができるようになる。言い換えれば、大きさと重量に比べて非常に大きな操作力が得られるようになる。

一方、従来のＰＭＡアクチュエータは、可動子と鉄心（固定子）の間の空隙に十分な磁束密度が形成されるようにする必要がある。そのような磁束密度は、空隙間距離の二乗に反比例するため、十分な磁束密度を形成させるためには、多量のコイル電流を流す必要がある。そのため、反応性、即ち、初期動作速度が遅くならざるを得ない。しかしながら、本発明によるアクチュエータは、コイル１４０に電流が供給されると同時に、外部磁界との電子反発力が起こることから、非常に速くて力強い初期速度を示す。

添付した図５、図６及び図７は、上記アクチュエータを使用した本発明の好適な実施の形態による遮断器の構成を示す図であって、図５は、遮断器が閉極状態である時を示す図であり、図６は、消弧状態である時を示す図であり、図７は、開極完了状態である時を示す図である。

図１ないし図４に示す構成要素と同一の構成要素に対しては、同一の符号を付し、その繰り返し説明は省くことにする。

図５、図６、及び図７に示すように、本発明による遮断器においては、絶縁操作ロッド２５が上記アクチュエータ１００の可動子１５０の端部に連結された構成となっている。したがって、上記絶縁操作ロッド２５は、上記可動子１５０の運動によって軸方向に移動することで閉極動作と開極動作を行うようになる。

具体的には、上記絶縁操作ロッド２５の一端部が上記可動子１５０の可動軸１５４の端部にピン１７０を介して連結されている。

本実施の形態による遮断器において、上記絶縁操作ロッド２５と上記可動子１５０の可動軸１５４の端部は、図５、図６、及び図７に示すように、相互直接に連結してもよく、その間に所定のリンク機構などを介在して連結してもよい。

そして、本実施の形態による遮断器においては、上記可動子１５０の開極方向移動の末尾となる地点部分に緩衝手段１８０を設けることが好ましい。上記緩衝手段１８０は、上記可動子１５０が開極方向に移動する場合における可動子１５０の可動リング体１５２が第２の端部板１６２にぶつかる衝撃を吸収または減衰する役割を果たす。図面に示す実施の形態のように、上記緩衝手段１８０が圧縮コイルスプリングからなるものであってもよい。

上記のような遮断器は、そのアクチュエータ１００が本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータ１００からなる。遮断器の具体的な遮断動作については、図１及び図２を参照して既に説明済みであり、アクチュエータ１００の動作については、図３及び図４を参照して既に説明済みであるので、以下では、重複する説明は回避しながら簡単に説明する。

まず、図５に示すような閉極状態において電力系統に異常が発生し、正常電流の数倍に達する故障電流が流れると、アクチュエータ１００のコイル１４０に電流が供給される。そうすると、図６に示すように、コイル１４０と可動子１５０が移動しながら絶縁操作ロッド２５を引っ張るようになる。したがって、固定アーク接触子１１から可動アーク接触子２１が離れ、固定主接触子１２から可動主接触子２２が離れる。そうすると、パッファシリンダー２４が固定ピストン１４に対抗する方向に引っ張られて、パッファシリンダー２４内部の消弧性ガスを圧縮させる。その結果、圧縮された消弧性ガスが吸気口１７と流路１８から噴出されて、固定アーク接触子１１と可動アーク接触子２１の間に発生しているアークプラズマを消滅させる。

次いで、可動子１５０が更に後退して絶縁操作ロッド２５を更に引っ張ると、図７に示すように、完全な開極状態が達成される。

このとき、上記可動子１５０の移動末尾では、可動子１５０の端部が緩衝手段１８０にぶつかって衝撃力が吸収される。したがって、開極最後の段階では、可動子１５０の移動速度が減速されるため、可動子１５０の可動リング体１５２が第２の端部板１６２に衝突しなくなる。

前述したように、遮断器が故障電流を遮断し極間の絶縁を迅速に回復するためには、極めて瞬時に動作が完了できる大きな力と高速度が要求される。特に、遮断容量が大きい高圧／超高圧の遮断器においては、操作力が非常に大きなアクチュエータを必要とする。

本発明の遮断器においては、電子反発力によって作動するアクチュエータ１００を備えているため、磁性体の飽和問題を考慮する必要がない。したがって、単にコイル１４０の巻数を多くし、電流の強さを大きくさえすれば、より大きな操作力を得ることができるため、その大きさと重量の増大に比して非常に大きな操作力の増大を得ることができるようになる。その結果、本発明のアクチュエータは、初期速度が非常に速い。

そのため、上記のようなアクチュエータ１００を使用している本発明の遮断器は、従来は適用し難かった３６５ｋｖ以上の送電用高圧／超高圧遮断器において非常に優れた性能を奏し得る。特に、アクチュエータにおいて消弧ガスを圧縮させるための力まで担わなければならないガス消弧型遮断器、さらには、パッファ消弧方式のガス消弧型遮断器においても非常に優れた性能を奏し得る。

また、本発明による遮断器は、コイルの巻数などを調整して大きさと操作力を増減できるため、前述した高圧／超高圧用遮断器だけでなく、低圧用遮断器にも当然のことながら小型で且つ軽量にて容易に適用することができるようになる。

以上の説明においては、図面に示したパッファ消弧型遮断器を一例として挙げて説明したが、本発明のアクチュエータは、真空遮断器、オイル遮断器、そしてロータリーアーク消弧方式の遮断器、熱膨脹消弧方式の遮断器、複合消弧方式の遮断器など、大きな力と高速度を要求する大半の遮断器に容易に適用可能であり、その効率も非常に大きいといえよう。

（実施例２）
添付した図８、図９、及び図１０には、本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータが示されている。第２の実施の形態によるアクチュエータは、前述した第１の実施の形態による電磁石アクチュエータ（ＥＭＦＡ）を変形した形態を有する。

図８に示すように、本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータ２００は、内部に環状のチャンバ２１１が形成されている磁性体胴体２１０と、該胴体２１０のチャンバ２１１内部に半径方向に一定間隔を保持して同心状に設けられる環状の内側永久磁石２２０及び外側永久磁石２３０と、環状のコイル２４１を有し上記内側永久磁石２２０と内側永久磁石２３０の間に軸方向に直線移動自在に設けられる環状の可動子２４０とを含んでなる。

上記コイル２４１を有する可動子２４０は、該コイル２４１に電流が供給されると、上記内側永久磁石２２０と上記外側永久磁石２３０による磁界と上記コイル２４１電流による電界によって発生する力で上記内側永久磁石２２０と外側永久磁石２３０の間を軸方向に直線運動する。

上記胴体２１０は、上記内側および外側永久磁石２２０、２３０及び可動子２４０の設置のために第１の胴体２１０ａと第２の胴体２１０ｂとに区画されて互いに結合される形態からなることが好ましい。

本実施の形態において、上記可動子２４０のコイル２４１の両端部のそれぞれには、環状の第１の磁性体リング２４２と第２の磁性体リング２４３が上記コイル２４１と一体化して設けられてもよい。上記コイル２４１と第１および第２の磁性体リング２４２、２４３の一体化は、該コイル２４１と第１および第２の磁性体リング２４２、２４３を絶縁体ハウジング２４４中に埋め込むことにより達成可能である。上記第１および第２の磁性体リング２４２、２４３の大きさ（長さ）は、被駆動体の保持力に応じて互いに異なるように構成することができる。例えば、遮断器の閉極状態を持続的に保持するのに必要な保持力と開極状態を持続的に保持するのに必要な保持力の差に応じて変わり得る。

上記第１および第２の磁性体リング２４２、２４３に対応して、上記内側および外側永久磁石２２０、２３０の両端部のそれぞれには、環状の第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２と第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６を設けることもできる。

上記第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２と第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６の極性は、上記内側永久磁石２２０と外側永久磁石２３０の極性と逆方向をなすようにする。そうすると、第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２の間に発生する磁力線及び上記第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６の間に発生する磁力線の方向が上記内側永久磁石２２０と外側永久磁石２３０の間に発生する磁力線の方向と逆となる。その結果、上記可動子２４０が、図８において上方へ移動した時、上記第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２による磁力によって上記第１の磁性体リング２４２が保持されて、上記コイル２４１への給電を遮断しても可動子２４０が上方へ移動した状態を保持し続けることができるようになる。同様に、上記可動子２４０が、図８において下方へ移動した時、上記第２の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２による磁力によって上記第２の磁性体リング２４２が保持されて、上記コイル２４１への給電を遮断しても可動子２４０が下方へ移動した状態を保持し続けることができるようになる。

上記可動子２４０の一端部（図中の上端部）には、複数本の非磁性体ロッド２７１が連結される。そして、上記複数本の非磁性体ロッド２７１の端部には支持台２８１を備えることもできる。上記支持台２８１には連結部２８１ａが形成されており、該連結部２８１ａには穴２８１ｂが形成されている。上記連結部２８１ａは、上記穴２８１ｂから遮断器のような被動部に連結される。

上記可動子２４０の他端部（図中の下端部）にも複数本の非磁性体ロッド２７１を連結することができる。そして、上記複数本の非磁性体ロッド２７２の端部には支持台２８２を備えることもできる。

上記可動子２４０の軸方向移動末尾に該可動子の端部が胴体２１０に衝突することを防止するために可動子２４０の両端部側に第１および第２の緩衝手段２６１、２６２を備えることができる。本実施の形態において、上記第１および第２の緩衝手段２６１、２６２は、圧縮コイルスプリングからなり、上記内側永久磁石２２０と外側永久磁石２３０の間に配設される。上記第１および第２の緩衝手段２６１、２６２は、図示した形態だけに限定されるものではない。例えば、アクチュエータ１００の外側に油圧または空圧ダンパを設けてもよい。また、本実施の形態のように上記胴体２１０の内部に設けずに、胴体２１０の外側に設けることもできる。

図９及び図１０には、図８に示した構成要素が詳細に示されている。

まず、図９には、上記胴体２１０と、内側および外側永久磁石２２０、２３０と、第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２、及び第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６の具体的な形状が示されている。胴体２１０の内部には環状のチャンバ２１１が形成される。したがって、上記チャンバ２１１は、内壁面２１１ａと外壁面２１１ｂを有する。上記胴体２１０の内部への環状のチャンバ２１１の成形と上記内側および外側永久磁石２２０、２３０及び可動子２４０の組み付けのために、上記胴体２１０を、第１の胴体２１０ａと第２の胴体２１０ｂとに分けることもできる。そして、上記第２の胴体２１０ｂの下側には、前述した第２の緩衝手段２６２の設置のための延長溝２１２を形成することができる。上記延長溝２１２は、上記緩衝手段２６２の長さが長い場合に形成される。上記胴体２１０の両端部に形成された複数の通孔２１３は、前述したロッド２７１の通過のためのものである。

上記内側永久磁石２２０と外側永久磁石２３０の極性は、磁力線が矢印方向、即ち、半径方向の内側に流れるように配置される。そして、第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２と第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６の極性は、上記内側永久磁石２２０と外側永久磁石２３０の極性と逆方向に配置される。このような内側および外側永久磁石２２０、２３０と、第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２、及び第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６を、連設された環状にて示しているが、半径方向に複数に分割された形態を有してもよい。

図１０には、可動子２４０と第１および第２の緩衝手段２６１の具体的な形状が示されている。前述したように、上記可動子２４０は、コイル２４１と第１および第２の磁性体リング２４２、２４３が絶縁体ハウジング２４４中に埋め込まれて一体化された形態を有する。上記絶縁体ハウジング２４４は、プラスチック材からなるものであってもよい。この場合、上記コイル２４１と第１および第２の磁性体リング２４２、２４３は、インサート工法によってハウジング２４４を射出成形することで簡単に埋め込むことができる。そして、上記可動子２４０の両端部には、前述したロッド２７１の結合のための複数の溝２４５が形成されている。上記ロッド２７１は、上記溝２４５にネジ止め方式などによって結合されてもよい。一方、上記第１および第２の緩衝手段２６１、２６２が圧縮スプリングからなり、胴体２１０の内部に設けられる場合、上記圧縮スプリング２６１、２６２は、上記複数本の非磁性体ロッド２７１、２７２の外側を取り囲む形で設けられてもよい。上記ロッド２７１の端部に固定された支持台２８１には、連結部２８１ａが形成されている。上記連結部２８１ａには、作動ロッド２８０が穴２８１ｂと軸２９１の結合によって連結されている。上記作動ロッド２９０は、遮断器のような被動部に連結され、上記可動子２４０の軸方向運動によって被動部を駆動する。

添付した図１１には、上記第２の実施の形態によるアクチュエータ２００を有する遮断器が示されている。同図に示す遮断器は、前で図５、図６及び図７を参照して説明した遮断器に比べて、アクチュエータ部分だけが異なっており、残り部分は同じ構成からなる。図１１では、遮断器が閉極状態を保持する時を示している。

図１１に示すように、本実施の形態による遮断器においては、遮断器の絶縁操作ロッド２５には作動ロッド２９０がピン１７０により連結され、上記作動ロッド２９０は、上記アクチュエータ２００の支持台２８１に連結される。したがって、上記絶縁操作ロッド２５は、上記支持台２８１の運動によって軸方向に移動することで閉極動作と開極動作を行うようになる。上記支持台２８１は、前述した可動子２４０に連結されて、可動子２４０の軸方向運動によって駆動する。具体的には、上記絶縁操作ロッド２５の一端部は、上記支持台２８１の連結部２８１ａに軸２９１により連結されている。

図１２、図１３、図１４及び図１５には、本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータ２００の作動過程が順次に示されている。上記アクチュエータ２００が図１１に示す遮断器に適用されたものと仮定して説明する。

図１２は、可動子２４０が図中の上方、即ち、第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２側に最大限移動した状態を示している。したがって、支持台２８１も最大限上方に移動して作動ロッド２９０（図示せず）を押し上げ、遮断器が閉極状態を保持するようになる。内側および外側永久磁石２２０、２３０の磁力線の方向は、矢印（ｍ１）にて、第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６の磁力線の方向は矢印（ｍ２）にて、そして第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２の磁力線の方向は矢印（ｍ３）にて示している。上記可動子２４０が上方へ移動することで遮断器が閉極状態を保持する間は、上記可動子２４０のコイル２４１には電流が供給されない。上記可動子２４０の第１の磁性体リング２４２は、上記内側および外側永久磁石２２０、２３０と第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２から発生する磁力線の流れ経路としての役割を果たすようになる。それと共に、上記第１の磁性体リング２４２が、既に第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２寄りとなっているため、上記第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２の磁界による力（磁力）が、上記第１の磁性体リング２４２に及ぶようになる。該力は、上記第１の磁性体リング２４２を保持する保持力として働き、可動子２４０が上方に移動した状態を保持し続けられるようになる。したがって、遮断器は、閉極状態を継続して保持することができるようになる。このとき、上記可動子２４０は、第１の緩衝手段２６１によって一定限度以上は上昇することができず、上記第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２による保持力と第１の緩衝手段２６１が有する弾性復帰力とが平衡をなす地点で止まるようになる。

電力系統に異常が発生すると、遮断器を開極させるためにコイル２４１に電流が供給される。そうすると、内側および外側永久磁石２２０、２３０の間で発生する磁束密度とコイル２４１によって発生する電流密度との関係から反発力（軸方向力）が作用するようになり、その結果、コイル２４１が下方へ移動する。即ち、可動子２４０が下方へ移動する。この場合、上記コイル２４１に供給される電流は、閉極状態において第１の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２によって第１の磁性体リング２４２を保持しようとする保持力を十分に克服できる程度の値にて供給される。

可動子２４０が、図１３に示す位置まで下降すると、コイル２４１に作用する反発力と可動子２４０が移動する慣性力による軸方向移動力との和が第１の磁性体リング２４２を上方に引っ張る力より遥かに大きいため、可動子２４０は、下方へ継続して進むことができるようになる。また、この時には、第２の磁性体リング２４３が第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６方へ進入して、上記内側および外側永久磁石２２０、２３０と第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６から発生する磁力線の流れ経路の役割を果たすようになる。したがって、第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６による第２の磁性体リング２４３の下方への引っ張り力が漸進的に大きくなって、可動子２４０が、下方に更に大きな力を受けて加速する。この時がアクチュエータ２００が最大の力を出す時である。したがって、この時を、遮断器の接点部においてガス反発力（図６において、固定ピストン１４に対抗する方向にパッファシリンダー２４を引っ張るべき力）が最大となる時点と一致するように設計することが好ましい。

このように、可動子２４０の速度が継続して増加しながら、図１３に示した地点を通ると、コイル２４１に供給される電流を速かに遮断する。そうすると、上記可動子２４０は慣性力と上記第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６が第２の磁性体リング２４３を下方へ引っ張る力によってのみ移動する。

可動子２４０が図１４の位置まで下降すると、第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６は、第２の磁性体リング２４３を移動方向と逆方向（上方）に押し上げるようになる。即ち、可動子２４０の第２の磁性体リング２４３が第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６の軸方向中間地点を通った時点からは、可動子２４０の移動方向と逆の方向に力が発生して可動子２４０を制動するようになる。この時点では、遮断器の接点では既に開極動作が修了した状態であるため、制動力が大きければ大きいほど可動子２４０の下端部が胴体２１０にぶつかって衝撃を受けることが生じなく、機械的安定化を得ることができるようになる。しかしながら、実際のところ、可動子２４０は６ｍ／ｓ以上の非常に高速度にて移動するため、可動子２４０が第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６を通り過ぎて胴体２１０に衝突するおそれがある。この場合、第２の緩衝手段２６２によって可動子２４０を安定して減速され得る。

可動子２４０が下方へ移動する動作末尾では、通常、上記第２の緩衝手段２６２と第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６によって可動子２４０を移動方向と逆の方向に押す力が第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６によって第２の磁性体リング２４３を保持する保持力より大きくなることは当たり前である。

そうすると、図１５に示すように、可動子２４０は上記第２の緩衝手段２６２の復元力によって上方に上昇するようになる。結局として、上記可動子２４０は、上記第２の緩衝手段２６２の復元力と第２の内側および外側補助永久磁石２５５、２５６による第２の磁性体リング２３０の保持力が平衡をなす地点で止まるようになる。この時が遮断器の開極が完了した状態である。

添付した図１６〜図２１には、本発明の第２の実施の形態による電磁石アクチュエータ２００を遮断器に適用した場合のシミュレーション実験結果が示されている。

図１６及び図１７は、本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータにおいて、第１および第２の磁性体リング２４２、２４２と補助永久磁石２５１、２５２、２５５、２５６を有することなく内側および外側永久磁石２２０、２３０のみを有する時における、可動子２４０を移動させる力と電流特性を示している。電流は継続的に増加させるが、可動子２４０を移動させる力は初期だけ増加し、その後、急激に小さくなる。しかし、遮断器のガス反発力は、可動子の動作がほぼ終了する地点で最大となる。したがって、第１および第２の磁性体リング２４２、２４３と補助永久磁石２５１、２５２、２５５、２５６を備えていないアクチュエータモデルは、超高圧用としての使用には少し不向きであるといえよう。

添付した図１８及び図１９は、アクチュエータが第１および第２の磁性体リング２４２、２４３と補助永久磁石２５１、２５２、２５５、２５６を有する時における力と電流特性を示している。即ち、外側永久磁石２２０、２３０の上、下に補助永久磁石２５１、２５２、２５５、２５６を設け、コイル２４１の上、下に第１および第２の磁性体リング２４２、２４３を設けた時における特性を示している。この時は、図１６及び図１７において問題となっていた可動子２４０の移動につれて力が減少する現象をなくすことができる。

図１８において、四角形ポイントでつながれたグラフが遮断器のガス反発力を示し、三角形ポイントでつながれたグラフが、アクチュエータだけから発生する電子力（アクチュエータの推力）を示し、菱形ポイントでつながれたグラフが上記遮断器のガス反発力に勝って動作するアクチュエータの合成力（Net force）を示す。アクチュエータだけから発生する電子力がガス反発力より大きくなって始めて可動子の速度が速くなる。このような電子力は、前で図１６及び図１７を参照して説明したように、可動子の移動初期区間では増加し、その後、減少するようになる。しかし、本グラフでは、可動子の移動初期区間を通って僅かに減少し、以降からは再び力が増加することが分かる。即ち、力が再び増加する時点が、可動子の磁性体リングが補助永久磁石に近づく時点となる。したがって、可動子に及ぶ力が大きくなり、全体的な可動子の速度は減ることなく継続して増加するようになる。

図１８において、「Ｋ区間」では電子力による力がガス反発力より小さくなる。しかし、この時は、可動子の慣性力が非常に大きい状態であるため、図１９に示す「変位」グラフのように、可動子の速度が差ほど減ることなく相変らず高速度を出すことができる。例えば、遮断器の好適な設計とは、ガス反発力がアクチュエータのみからの電子力より大きくならないようにすることであるが、ガス反発力の最大値は毎回変わるため、可動子の慣性力が十分に大きければ、その問題は深刻ではない。

（実施例３）
添付した図２０及び図２１には、本発明の第３の実施の形態による電磁石アクチュエータ３００が示されている。第３の実施の形態によるアクチュエータ３００は、第２の実施の形態によるアクチュエータが一つの胴体３１０に複数（図中では４つ）設けられた形態である。即ち、磁性体からなる一つの胴体３１０内部に複数の操作部３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、３００ｄを設けてもよい。上記それぞれの操作部３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、３００ｄは、前述した第２の実施の形態のアクチュエータと同様に、内側および外側永久磁石２２０、２３０と、コイルと第１および第２の磁性体リングを有する可動子２４０と、第１および第２の内側および外側補助永久磁石２５１、２５２、２５５、２５６、及び第１および第２の緩衝手段２６１、２６２とを備える。上記複数の可動子２４０のそれぞれには、複数本のロッド２７１、２７２が連結され、上記複数本のロッド２７１、２７２は、一つの支持台３２１、３２２に連結される。上記上支持台３２１には、遮断器への連結のための連結部３２１ａが備えられる。このような本発明の第３の実施の形態によるアクチュエータ３００は、遮断器の遮断容量の増大に応じてアクチュエータの個数を増大させる場合における好適な構成例を示している。

一方、前述した第１ないし第３の実施の形態によるアクチュエータ及びそれらを適用した遮断器においては、超伝導磁石（または、超伝導バルク磁石）を利用して磁束密度を増大させることでアクチュエータの効率を極大化させることができる。本発明で提案された様々なアクチュエータは、永久磁石の磁束密度とコイルの電流密度から発生する電子反発力によって動作するアクチュエータであるため、既存の永久磁石に替えて超伝導磁石を利用すると、磁束密度が大きくなってより大きな力と高速度が得られるようになる。

Ｅ＝１／２（ＢＨ）＝Ｂ^２／２μ
上記式から分かるように、エネルギーは磁束密度の二乗に比例するようになる。そして、一般の永久磁石のうち相対的に磁束密度の高いＮｄ系（ネオジウム系）の永久磁石の磁束密度は、通常１．２テスラ（Ｔ）程度であるのに対し、現在開発された超伝導磁石（または、超伝導バルク磁石）の磁束密度は、３Ｔ〜１２Ｔ程度であって、一般の永久磁石に比べて遥かに高い磁束密度を有する。仮に、約３テスラ（Ｔ）の磁束密度を有する超伝導磁石を適用した場合、約１テスラ（Ｔ）の磁束密度を有する一般の永久磁石に比べて磁束密度は約３倍となり、エネルギーは約９倍となる。したがって、この時、同じ量の電流密度を加えると、その力が約９倍と大きくなることが分かる。このように、一般の永久磁石に替えて超伝導磁石を適用することでその効率を高めることができる。実施例１によるアクチュエータの場合では、一般の永久磁石に替えて超伝導磁石を使用するだけでその効率を高めることができる。しかし、実施例３によるアクチュエータのようにガス反発力を考慮して、該ガス反発力に対向するために主永久磁石（内側および外側永久磁石）と補助永久磁石（第１および第２の内側および外側補助永久磁石）の間に発生する力を利用する場合、主永久磁石と補助永久磁石ともに超伝導磁石を使用すると問題が生じるようになる。超伝導磁石の特徴は、一般の永久磁石と同様に一定の磁束密度を示すが、外部から発生した磁界は超伝導性質によって超伝導磁石に流入されなくなる。ゆえに、本発明では、主永久磁石として超伝導磁石を利用し、補助永久磁石として一般の永久磁石を利用して超伝導磁石から発生した磁界が一般の永久磁石を通って流れるようにし、その結果、操作部のリング状磁性体が超伝導磁石と一般の永久磁石の境界部分に位置する時に大きな力として作用させることができる。

以上で説明した本発明によるアクチュエータでは、永久磁石による磁界とコイルの電流密度による電子反発力によって可動子を作動させる構造を有するため、小型で且つ軽量でも大きな操作力と操作速度を発揮することができるという長所がある。

また、本発明の遮断器においては、大きな力と高速で遮断動作が行われるため、特に、超高圧及び高圧遮断器に有用に適用することができ、低圧用としても適用し易いという長所がある。

以上では、添付図面に示した本発明の好適な実施の形態について詳細に説明したが、これらは本発明の一つの例示に過ぎなく、本発明の保護範囲がこれらに限定されるものではない。また、以上のような本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想内で当該分野における通常の知識を有する者によって様々な変形及び均等な他の実施が可能であり、このような変形及び均等な他の実施の形態は、本発明の特許請求の範囲に属することは言うまでもない。

従来の遮断器のうちのパッファ消弧型遮断器を一例として示す閉極状態の断面図である。 図１に示す遮断部の消弧状態の詳細を示す拡大図である。 本発明の好適な第１の実施の形態によるアクチュエータの構成を示す断面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータが設けられた遮断器の構成を示す図であって、遮断器が閉極状態から消弧状態、開極状態に変化する状態を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータが設けられた遮断器の構成を示す図であって、遮断器が閉極状態から消弧状態、開極状態に変化する状態を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータが設けられた遮断器の構成を示す図であって、遮断器が閉極状態から消弧状態、開極状態に変化する状態を示す断面図である。 本発明の好適な第２の実施の形態によるアクチュエータの構成を示す立体断面図である。 それぞれ本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータの構成要素を詳細に示す図である。 それぞれ本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータの構成要素を詳細に示す図である。 本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータが設けられた遮断器を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータの動作過程を順次に示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータの動作過程を順次に示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータの動作過程を順次に示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータの動作過程を順次に示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータにおいて、第１および第２の磁性体リングと補助永久磁石を有することなく内側および外側永久磁石のみを有する時における可動子を移動させる力と電流特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータにおいて、第１および第２の磁性体リングと補助永久磁石を有することなく内側および外側永久磁石のみを有する時における可動子を移動させる力と電流特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータが第１および第２の磁性体リングと補助永久磁石を更に有する時における力と電流特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータが第１および第２の磁性体リングと補助永久磁石を更に有する時における力と電流特性を示すグラフである。 それぞれ本発明の第３の実施の形態による電磁石アクチュエータの構成を示す平面図及び立体断面図である。 それぞれ本発明の第３の実施の形態による電磁石アクチュエータの構成を示す平面図及び立体断面図である。

符号の説明

１００ アクチュエータ
１１０ 内筒体
１２０ 外筒体
１３０ 内側永久磁石
１３２ 外側永久磁石
１４０ コイル
１４２ 給電線
１５０ 可動子
１５２ 可動リング体
１５４ 可動軸
１５６ 連結軸
１５８ 連結板

Claims (25)

1. 磁性体からなる中空の内筒体と、
   磁性体からなり、前記内筒体と同心状に前記内筒体から半径方向の外側に一定間隔を保持して設けられる外筒体と、
   それぞれ前記内筒体の外面と前記外筒体の内面に接して互いに一定間隔を保持して配設される内側および外側永久磁石と、
   前記内側永久磁石と外側永久磁石の間に軸方向に直線移動自在に設けられるコイル、及び
   前記コイルがその一端部に設けられ、前記コイルに電流が供給されると、前記内側および外側永久磁石による磁界と前記コイルの電流密度による電子反発力によって前記内側永久磁石と外側永久磁石の間を軸方向に直線運動する非磁性体の可動子と、を含み、
   前記内側および外側永久磁石の両端部のそれぞれには、環状の第１の内側および外側補助永久磁石と第２の内側および外側補助永久磁石が設けられ、
   前記可動子は、そのコイルの両端部のそれぞれに環状の第１の磁性体リングと第２の磁性体リングが配設されて前記コイルと一体化された形態からなることを特徴とする電磁石アクチュエータ。
2. 前記非磁性体の可動子は、
   一端部に前記コイルが設けられ、前記内側永久磁石と外側永久磁石の間で軸方向に直線運動自在に設けられる可動リング体、及び
   前記内筒体の内側に直線移動自在に設けられると共に、その一端部が前記可動リング体に連結され該可動リング体によって軸方向に直線移動する可動軸と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁石アクチュエータ。
3. 前記内側永久磁石と外側永久磁石は、超伝導磁石からなることを特徴とする請求項１に記載の電磁石アクチュエータ。
4. 磁性体からなり、前記内筒体と外筒体の両端部を塞ぐことにより円滑な磁界の流れを誘導する第１および第２の端部板を含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁石アクチュエータ。
5. 磁性体からなる中空の内筒体と、
   磁性体からなり、前記内筒体と同心状に前記内筒体から半径方向の外側に一定間隔を保持して設けられる外筒体と、
   それぞれ前記内筒体の外面と前記外筒体の内面に接して互いに一定間隔を保持して配設される内側および外側永久磁石と、
   前記内側永久磁石と外側永久磁石の間に軸方向に直線移動自在に設けられるコイルと、
   前記コイルがその端部に設けられ、前記コイルに電流が供給されると、前記内側および外側永久磁石による磁界と前記コイルの電流密度による電子反発力によって前記内側永久磁石と外側永久磁石の間を軸方向に直線運動する非磁性体の可動子、及び
   前記可動子の他端部に連結され、前記可動子によって直線運動することで閉極動作と開極動作を行う絶縁操作ロッドと、を含み、
   前記内側および外側永久磁石の両端部のそれぞれには、環状の第１の内側および外側補助永久磁石と第２の内側および外側補助永久磁石が設けられ、
   前記可動子は、そのコイルの両端部のそれぞれに環状の第１の磁性体リングと第２の磁性体リングが配設されて前記コイルと一体化された形態からなることを特徴とする遮断器。
6. 請求項５において、
   前記内側永久磁石と外側永久磁石は、超伝導磁石からなることを特徴とする請求項５に記載の遮断器。
7. 前記非磁性体の可動子は、
   一端部に前記コイルが設けられ、前記内側永久磁石と外側永久磁石の間で軸方向に直線運動自在に設けられる可動リング体、及び
   前記内筒体の内側に直線移動自在に設けられ、その一端部が前記可動リング体に連結されると共にその他端部が前記絶縁操作ロッドに連結されて、前記可動リング体によって軸方向に直線移動することで前記絶縁操作ロッドを移動させる可動軸とを含むことを特徴とする請求項５に記載の遮断器。
8. 磁性体からなり、前記内筒体と外筒体の両端部を塞ぐことで円滑な磁界の流れを誘導する第１および第２の端部板を含むことを特徴とする請求項５に記載の遮断器。
9. 前記可動子の開極方向の移動末尾となる地点部分に設けられて衝撃力を吸収する緩衝手段を含むことを特徴とする請求項５に記載の遮断器。
10. 前記緩衝手段は、圧縮コイルスプリングからなることを特徴とする請求項９に記載の遮断器。
11. 内部に環状のチャンバが形成されている磁性体の胴体と、
    前記胴体のチャンバ内部に半径方向に一定間隔を保持して同心状に設けられる環状の内側永久磁石及び外側永久磁石、及び
    環状のコイルを有し前記内側永久磁石と内側永久磁石の間に軸方向に直線移動自在に設けられ、前記コイルに電流が供給されると、前記内側永久磁石と前記外側永久磁石による磁界と前記コイルの電流密度による電子反発力によって前記内側永久磁石と外側永久磁石の間を軸方向に直線運動する可動子と、を含み、
    前記内側および外側永久磁石の両端部のそれぞれには、環状の第１の内側および外側補助永久磁石と第２の内側および外側補助永久磁石が設けられ、
    前記可動子は、そのコイルの両端部のそれぞれに環状の第１の磁性体リングと第２の磁性体リングが配設されて前記コイルと一体化された形態からなることを特徴とする電磁石アクチュエータ。
12. 前記第１の内側および外側補助永久磁石と第２の内側および外側補助永久磁石の極性は、前記内側永久磁石と外側永久磁石の極性と逆方向であることを特徴とする請求項１１に記載の電磁石アクチュエータ。
13. 前記内側永久磁石と外側永久磁石は、超伝導磁石からなることを特徴とする請求項１１または１２に記載の電磁石アクチュエータ。
14. 前記コイルと第１および第２の磁性体リングは、絶縁体ハウジング中に埋め込まれて一体化されることを特徴とする請求項１１に記載の電磁石アクチュエータ。
15. 前記絶縁体ハウジングは、プラスチック材からなることを特徴とする請求項１４に記載の電磁石アクチュエータ。
16. 前記可動子の軸方向の移動末尾に前記可動子の端部が胴体に衝突することを防止するために、前記可動子の両端部側に第１および第２の緩衝手段が設けられることを特徴とする請求項１１に記載の電磁石アクチュエータ。
17. 前記第１および第２の緩衝手段は、圧縮コイルスプリングからなることを特徴とする請求項１６に記載の電磁石アクチュエータ。
18. 前記第１および第２の緩衝手段は、圧縮コイルスプリングからなり、前記内側永久磁石と外側永久磁石の間に配設されることを特徴とする請求項１６に記載の電磁石アクチュエータ。
19. 前記可動子の一端部には、複数本の非磁性体のロッドが連結され、前記複数本の非磁性体ロッドの端部には被動部に連結されるための支持台が設けられることを特徴とする請求項１１に記載の電磁石アクチュエータ。
20. 内部に環状のチャンバが形成されている磁性体の胴体と、
    前記胴体のチャンバ内部に半径方向に一定間隔を保持して同心状に設けられる環状の内側永久磁石及び外側永久磁石と、
    環状のコイルを有し前記内側永久磁石と内側永久磁石の間に軸方向で直線移動自在に設けられ、前記コイルに電流が供給されると、前記内側永久磁石と前記外側永久磁石による磁界と前記コイルの電流密度による電子反発力によって前記内側永久磁石と外側永久磁石の間を軸方向に直線運動する可動子、及び
    前記可動子によって直線運動することで閉極動作と開極動作を行うために、前記可動子に連結される絶縁操作ロッドと、を含み、
    前記内側および外側永久磁石の両端部のそれぞれには、環状の第１の内側および外側補助永久磁石と第２の内側および外側補助永久磁石が設けられ、
    前記可動子は、該コイルの両端部のそれぞれに環状の第１の磁性体リングと第２の磁性体リングが配設されて前記コイルと一体化された形態からなることを特徴とする遮断器。
21. 前記内側永久磁石と外側永久磁石は、超伝導磁石からなることを特徴とする請求項２０に記載の遮断器。
22. 磁性体からなる一つの胴体内部に複数の電磁石操作部が設けられ、
    前記複数の操作部はそれぞれ、
    半径方向に一定間隔を保持して同心状に設けられる環状の内側永久磁石及び外側永久磁石と、
    環状のコイルを有し前記内側永久磁石と内側永久磁石の間に軸方向に直線移動自在に設けられ、前記コイルに電流が供給されると、前記内側永久磁石と前記外側永久磁石による磁界と前記コイルの電流密度による電子反発力によって前記内側永久磁石と外側永久磁石の間を軸方向に直線運動する可動子と、
    前記複数の可動子に連結される複数本のロッド、及び
    前記複数本のロッドの端部を一つに連結する支持台と、を含み、
    前記内側および外側永久磁石の両端部のそれぞれには、環状の第１の内側および外側補助永久磁石と第２の内側および外側補助永久磁石が設けられ、
    前記可動子は、該コイルの両端部のそれぞれに環状の第１の磁性体リングと第２の磁性体リングが配設されて前記コイルと一体化された形態からなることを特徴とする電磁石アクチュエータ。
23. 前記内側永久磁石と外側永久磁石は、超伝導磁石からなることを特徴とする請求項２２に記載の電磁石アクチュエータ。
24. 磁性体からなる一つの胴体内部に設けられた複数の操作部と絶縁操作ロッドとを含み、
    前記複数の操作部はそれぞれ、
    半径方向に一定間隔を保持して同心状に設けられる環状の内側永久磁石及び外側永久磁石と、
    環状のコイルを有し前記内側永久磁石と内側永久磁石の間に軸方向に直線移動自在に設けられ、前記コイルに電流が供給されると、前記内側永久磁石と前記外側永久磁石による磁界と前記コイルの電流密度による電子反発力によって前記内側永久磁石と外側永久磁石の間を軸方向に直線運動する可動子と、
    前記複数の可動子に連結される複数本のロッド、及び
    前記複数本のロッドの端部を一つに連結する支持台と、を含み、
    前記絶縁操作ロッドは前記複数の可動子によって直線運動することで閉極動作と開極動作を行うために、前記支持台に連結され、
    前記内側および外側永久磁石の両端部のそれぞれには、環状の第１の内側および外側補助永久磁石と第２の内側および外側補助永久磁石が設けられ、
    前記可動子は、該コイルの両端部のそれぞれに環状の第１の磁性体リングと第２の磁性体リングが配設されて前記コイルと一体化された形態からなることを特徴とする遮断器。
25. 前記内側永久磁石と外側永久磁石は、超伝導磁石からなることを特徴とする請求項２４に記載の遮断器。

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