JP4745398B2

JP4745398B2 - 電磁操作開閉装置

Info

Publication number: JP4745398B2
Application number: JP2008536283A
Authority: JP
Inventors: 太▲げん▼ 金; 昭彦丸山; 知孝矢野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: US20090284334A1; JPWO2008038421A1; HK1133119A1; US8040210B2; CN101523535B; CN101523535A; WO2008038421A1

Description

この発明は電磁操作開閉装置に関し、特に、電磁石によって駆動されて、接離自在な電極を有し、この電極が接触・隔離をすることによって、一対の電極の開極・閉極の動作が行われる電磁操作開閉装置に関する。

従来の電磁操作開閉器では、コンデンサ駆動の場合、コンデンサから電磁操作器（電磁コイル）に放電することで、電磁力を電磁操作器に発生させて駆動している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−４４６１２号公報（１２頁３９行〜１３頁１４行、図８、９）

従来の電磁操作方式開閉器は、下記の問題点を有する。

従来の電磁操作方式開閉器において、真空バルブの可動接点部を含む可動部の重量変更があった場合、重量変更によって真空バルブが仕様外の速度となる。また、コンデンサ充電容量または充電電圧を変化させて速度を調節しても、例えば、可動部の重量が低減した場合には、閉極動作速度上昇を抑制するためにコンデンサ充電容量または充電電圧を低減する必要があり、この低減によって接圧バネを圧縮するタイミングで通電電流不足が発生し、閉極不良が発生してしまうという問題点があった（図２の符号１０１およびＡ：通電電流量の不足を参照）。

また、電磁操作器（電磁コイル）の駆動特性は、所定の真空バルブから要求される駆動条件に合わせて設計されているため、他の真空バルブを用いた電磁操作開閉器と電磁操作を共通化して低コスト化を図ることができないという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、コンデンサ容量と抵抗値との調節を行うことにより、通電電流特性を調整し、開閉器可動部の重量変更による閉極速度上昇の抑制を可能にした電磁操作開閉装置を得ることを目的としている。

この発明は、固定接点、及び上記固定接点に対向して配置された可動接点を備えた開閉器と、上記可動接点に連結された可動鉄心、上記可動鉄心の外周部に固定設置された固定鉄心、及び上記固定鉄心に配置された上記可動鉄心駆動用のコイルを備え、上記可動鉄心の駆動により上記開閉器を開閉駆動する電磁操作器と、上記可動接点と上記固定接点との接触圧力を確保するための接圧バネと、放電により上記コイルに放電電流を通電するための電荷を蓄積するコンデンサと、上記コンデンサを充電する充電装置と、上記放電電流のピーク値を低減すると共に、上記接圧バネの動作時点で上記接圧バネの力に抗する開閉駆動力を発生するために必要なコイル電流値を確保できるように上記放電電流の波形を調整するために、上記充電装置外であって、上記開閉器の開閉駆動用に上記コンデンサから上記コイルに上記放電電流が流れる経路に直列に接続された抵抗とを備えている電磁操作開閉装置である。

この発明は、固定接点、及び上記固定接点に対向して配置された可動接点を備えた開閉器と、上記可動接点に連結された可動鉄心、上記可動鉄心の外周部に固定設置された固定鉄心、及び上記固定鉄心に配置された上記可動鉄心駆動用のコイルを備え、上記可動鉄心の駆動により上記開閉器を開閉駆動する電磁操作器と、上記可動接点と上記固定接点との接触圧力を確保するための接圧バネと、放電により上記コイルに放電電流を通電するための電荷を蓄積するコンデンサと、上記コンデンサを充電する充電装置と、上記放電電流のピーク値を低減すると共に、上記接圧バネの動作時点で上記接圧バネの力に抗する開閉駆動力を発生するために必要なコイル電流値を確保できるように上記放電電流の波形を調整するために、上記充電装置外であって、上記開閉器の開閉駆動用に上記コンデンサから上記コイルに上記放電電流が流れる経路に直列に接続された抵抗とを備えている電磁操作開閉装置であるので、コンデンサ容量と抵抗値との調節を行うことにより、通電電流特性を調整し、開閉器可動部の重量変更による閉極速度上昇の抑制を行うことができる。

この発明の実施の形態１による電磁操作開閉装置の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態１による閉極動作時の通電電流特性を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電磁操作開閉装置としての真空遮断器の構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係る電磁操作開閉装置は、大きく分けて、真空バルブ３と、電磁操作電磁石１０と、駆動電源装置２０とから構成されている。

開閉器である真空バルブ３は、真空の収容器の中に開閉接点５が収容されて構成されている。開閉接点５は、図１の下方に固設配置された固定接点５ａと、この固定接点５ａに対して図１の上下方向（以下、軸方向とする。）に所定の間隙を設けて対向配置された可動接点５ｂとから構成されている。可動接点５ｂは、固定接点５ａに対向していない側の軸方向の端部に、駆動棒７が固着されており、当該駆動棒７により、可動接点５ｂは軸方向に水平移動する。このように、可動接点５ｂと駆動棒７とで、可動部６を構成している。この可動部６は、接圧バネ８およびバネ受け９を介して、電磁操作電磁石１０の可動鉄心１６に連結されている。なお、接圧バネ８はバネ受け９上に配置されており、これらは真空バルブ３と電磁操作電磁石１０との間の隙間に設けられている。接圧バネ８により、可動接点５ｂと固定接点５ａの接触圧力が確保される。

電磁操作電磁石１０は、閉極用コイル１３、開極用コイル１４、可動鉄心１６と、永久磁石１７とを有する。強磁性材料で形成された可動鉄心１６は、駆動棒７を介して、真空バルブ３の可動接点５ｂに連結されている。また、可動鉄心１６の外周部には、円筒状の永久磁石１７が固定鉄心として固定設置されている。さらに、可動鉄心駆動用電磁コイルとしての閉極用コイル１３および開極用コイル１４が、永久磁石１７に対して配置され、円環状に巻回されている。閉極用コイル１３および開極用コイル１４は、図１に示すように、軸方向に所定の間隔を空けて並べて配置されている。従って、可動鉄心１６は、閉極用コイル１３および開極用コイル１４の軸方向の各中心部に軸方向に配置されている。可動鉄心１６は細い円柱型をしており、円筒状の永久磁石１７内に挿入されて、閉極用コイル１３および開極用コイル１４の駆動により、永久磁石１７内を軸方向に水平移動する構成となっている。電磁操作電磁石１０は、このように構成されており、可動鉄心１６の駆動により、開閉器である真空バルブ３の開閉駆動を行う。なお、本実施の形態では、円筒状の電磁操作電磁石１０の構成について説明したが、その場合に限らず、電磁操作電磁石１０は閉極用コイル１３または開極用コイル１４によって可動鉄心１６が直線方向に駆動されるものであれば良く、例えば、特開２００４−２８８５０２号公報に記載の電磁操作電磁石を使用しても良い。

駆動電源装置２０は、上記の電磁操作電磁石１０の閉極用コイル１３および開極用コイル１４に通電するための電荷を蓄積する閉極用コンデンサ２３と開極用コンデンサ２４とを有する。これら閉極用コンデンサ２３と開極用コンデンサ２４とは充電装置５１により充電される。駆動電源装置２０の閉極用コンデンサ２３は、接続線２５により、電磁操作電磁石１０の閉極用コイル１３と接続されている。接続線２５には、閉極指令スイッチ３３と抵抗６３とが設けられている。また、駆動電源装置２０の開極用コンデンサ２４は、接続線２６により、電磁操作電磁石１０の開極用コイル１４と接続されている。接続線２６には、開極指令スイッチ３４と抵抗６４が設けられている。なお、閉極用コンデンサ２３と閉極用コイル１３と抵抗６３とは、いわゆる直列接続の回路構成となっている。また、同様に、開極用コンデンサ２４と開極用コイル１４と抵抗６４とは、いわゆる直列接続の回路構成となっている。なお、図１に示すように、充電装置５１からコンデンサ２３，２４に充電する経路と、コイル１３，１４にコンデンサ２３，２４から通電する経路とは、一部分が共用される電流経路となっているが、抵抗６３、６４は、コイル１３，１４とコンデンサ２３，２４とを接続するための閉極動作のための電流が流れる専用の経路に、コンデンサ２３，２４と直列に接続されている。駆動電源装置２０は、閉極用コイル１３および開極用コイル１４への通電により、電磁操作器である電磁操作電磁石１０を駆動させる。

次に、真空バルブ３の開閉動作について説明する。図１において、駆動電源装置２０の閉極用コンデンサ２３および開極用コンデンサ２４は、充電装置５１により、常時所定の電圧に充電されている。図１に示す可動接点５ｂが開極した状態において、閉極指令スイッチ３３を閉じると閉極用コンデンサ２３に充電されている電荷が閉極用コイル１３に供給される。すると、閉極用コイル１３を流れる電流により可動鉄心１６が軸方向で図１の下方に駆動され、接圧バネ８および駆動棒７を介して可動接点５ｂを固定接点５ａに接触させて閉極する。このとき、可動接点５ｂが固定接点５ａに接触した後、さらに接圧バネ８が圧縮され、接点５ａ，５ｂ間の接触圧力が圧縮された接圧バネ８により確保された状態になり、可動鉄心１６の周囲に装着された永久磁石１７の磁束によりこの状態が維持され、閉極状態となる。

この閉極状態において、開極指令スイッチ３４を閉じて開極指令を与えると、開極用コンデンサ２４に充電されている電荷が開極用コイル１４に供給され、開極用コイル１４を流れる電流により可動鉄心１６が軸方向で図１の上方に駆動される。可動鉄心１６が上方に移動を開始するとき、最初は圧縮されている接圧バネ８が伸びるだけで、可動接点５ｂおよび真空バルブ３側の駆動棒７は移動しない。この後、さらに可動鉄心１６が上方へ移動すると可動接点５ｂ、駆動棒７、接圧バネ８、バネ受け９および可動鉄心１６が一体となって上方へ移動し、可動接点５ｂが固定接点５ａから開離し、この状態が可動鉄心１６の周囲に装着された永久磁石１７の磁束により維持され、開極状態となる。

ここで、閉極動作時を例にとり、図１および図２を参照しながら、抵抗６３の効果を説明する。なお、図２において、横軸は時間、縦軸は電流であり、また、１００は軽量化前の電流波形、１０１は軽量化後の従来の静電容量低減による速度調整の場合の電流波形、１０２は、本実施の形態による、軽量化後の静電容量増、抵抗増による速度調整の場合の電流波形である。

１．真空バルブ３の可動接点５ｂを含む可動部６の重量が設計変更により軽量化した場合、従来と同じ回路条件では、電磁操作電磁石１０で発生する吸引力は駆動開始時、軽量化前と同じ力を発生するため、可動部６は軽量化前よりも高速で移動することになる。場合によっては、仕様範囲外の速度となる。この速度を抑制するために、閉極用コンデンサ２３の充電電圧Ｖまたは容量Ｃを低減することが考えられるが、この場合、閉極用コンデンサ２３に蓄積される電荷量Ｑは、Ｑ＝ＣＶの関係から低下する。電荷量Ｑが減少するため一般的には、通電開始からある一定時間経過後の、閉極動作途中の電流量は減少する（図２のＡ参照）。

一方、接圧バネ８の発生荷重を一定としたい設計条件では、接圧バネ８を圧縮する時点で必要とされる電磁操作電磁石１０で発生する吸引力は一定となるため、この時点で要求される電流量は、軽量化前と概ね同じであると考えて良い（図２のＢ参照）。したがって、閉極用コンデンサ２３の充電電圧Ｖまたは容量Ｃを低減させることにより、閉極速度が低減すると、接圧バネ８を圧縮する時点で電磁操作電磁石１０で発生する吸引力が不足するため、閉極できない。この場合に、閉極用コンデンサ２３の静電容量Ｃを増大させて、閉極用コンデンサ２３と電磁操作電磁石１０の閉極用コイル１３を閉極動作させるために通電経路に抵抗６３を、いわゆる直列接続の回路構成で挿入すると、閉極動作開始前の電磁操作電磁石１０の閉極用コイル１３に通電する電流量Ｉを抑制できるように抵抗６３を調節できるため、閉極速度を可動部６の軽量化前と概ね同じ値に設定できる（図２の１０２参照）。

また、Ｑ＝ＣＶの関係から、電荷量Ｑは増大するため、閉極速度が軽量化前と同じであるならば、軽量化前と概ね同じ時間で接圧バネ８を圧縮するタイミングに到達する。電流量Ｉが軽量化前よりも少なく、接圧バネ８を圧縮するタイミングに到達するまでの経過時間ｔが軽量化前と概ね同じであるならば、Ｉ＝ｄＱ／ｄｔの関係から、消費される電荷量Ｑは軽量化前よりも小さいことになる。電磁操作電磁石１０の駆動による閉極用コイル１３のインダクタンスＬの変化は、電磁操作電磁石１０が軽量化前と同一であり、閉極速度が概ね軽量化前と同じであることから、概ね同じであると考えて良い。

以上のことから、接圧バネ８を圧縮するタイミングでは、軽量化前よりも電荷量Ｑおよび電圧Ｖは大きい値となっている。接圧バネ８を圧縮するタイミングの電荷量Ｑおよび電圧Ｖが軽量化前よりも大きい値にできるため、閉極用コンデンサ２３の容量Ｃと抵抗６３の値を適切な値に調節すれば、接圧バネ８を圧縮するタイミングで軽量化前と同じ通電電流量を確保でき、接圧バネ８を圧縮できる吸引力を電磁操作電磁石１０で発生でき、閉極不良を防止できる。したがって、可動部６の重量変更などの設計変更が発生しても、同一の電磁操作電磁石１０、同一の駆動電源装置２０を用いて、簡単な、コンデンサ容量、抵抗を変更することで対応できる。新規の電磁操作電磁石１０、駆動電源装置２０の開発は不要となる。

２．開閉動作時の特性は主に真空バルブ３から要求される性能であり、電圧、電流容量ごと、および、機種ごとに、開極速度範囲、閉極速度範囲、接圧条件が決められている。このため、真空バルブ３から要求される開極速度範囲、閉極速度範囲、接圧条件を満足できるように、電磁操作電磁石１０は設計されている。この電磁操作電磁石１０を例えば異なる種類の真空バルブ（以下、真空バルブ３ｂとする。）に適用する場合、特に、閉極速度条件は真空バルブ３と同じであり、接圧条件のみ真空バルブ３ｂの方が真空バルブ３より高い場合は、駆動開始時の電流値を上げること無く、前述の接圧バネ８を圧縮する時に閉極用コイルに通電している電流値を増大する必要がある。閉極用コンデンサ２３の容量を増大し、抵抗６３の値を増大させることで、前述に記載の方法で、駆動開始時の電流値を上げることなく、接圧バネ８を圧縮する時に閉極用コイルに通電している電流値を増大することができる。

以上のように、この発明の実施の形態１における電磁操作開閉装置は、閉極用コイル１３および開極用コイル１４と閉極用コンデンサ２３および開極用コンデンサ２４とを接続している閉極動作のための電流が流れる経路に、閉極用コンデンサ２３および開極用コンデンサ２４と直列になるように抵抗６３，６４をそれぞれ接続させた構成にしたので、閉極用コンデンサ２３の容量と抵抗６３の値（および／または、開極用コンデンサ２４の容量と抵抗６４の値）を調節することにより、可動部６の重量変更などの設計変更が発生しても、同一の電磁操作電磁石１０、同一の駆動電源装置２０を用いて、簡単な、コンデンサ容量、抵抗の変更で、開閉特性の調節し対応することができる。それにより、新規の電磁操作電磁石１０、駆動電源装置２０の開発は不要となる。また、他機種の真空バルブ３に同一の電磁操作電磁石１０で対応できるため、電磁操作電磁石１０の共通化を図ることができ、量産効果による電磁操作電磁石１０の低コスト化を図ることができる。また、駆動電源装置２０においても、外部に配置したコンデンサおよび抵抗の変更のみで対応できるため、量産効果による駆動電源装置２０の低コスト化を図ることができる。

上述したように、この発明の実施の形態１における電磁操作開閉装置は、開閉接点５（開閉器）およびこの開閉接点５を開閉駆動する電磁操作電磁石１０（電磁操作器）を備え、電磁操作電磁石１０は、永久磁石１７（固定鉄心）とコイル１３，１４と開閉接点５の可動接点５ｂに連結された可動鉄心１６とを備え、コイル１３，１４に通電することにより可動鉄心１６を駆動し、コイル１３に通電する電荷を蓄積するコンデンサ２３，２４を備え、可動鉄心１６を駆動するために、コイル１３，１４にコンデンサ２３，２４から通電する経路に直列に接続された抵抗６３，６４を備えるようにしたので、この構成により、同一の電磁操作器で様々な設計の開閉器を駆動できる。すなわち、この発明によれば、コンデンサから電磁操作装置への主な通電経路に直列に抵抗を配列したことにより、以下の二つの効果を得ることができる。

１．通電電流特性を調節できるため、特に閉極動作において、真空バルブ３の可動接点部を含む可動部品の重量変更、特に重量低減による閉極速度の上昇は、コンデンサ容量の増大と抵抗値の増大量を調節することで、通電電流値を調整できるため、駆動基板回路や電磁操作電磁石の設計変更なく真空バルブの要求仕様を満足できる。

２．真空バルブ３ごとに要求される駆動特性に対して、適切な通電電流特性を得ることができる。具体的には、真空バルブの開閉特性から要求される、接圧バネ、開放バネ条件、開閉速度に応じて、通電電流特性から電磁操作装置の電磁力特性を調節することができる。

また、開閉接点５は可動接点５ｂと固定接点５ａの接触圧力を確保するための接圧バネ８を備えるようにしたので、同一の電磁操作電磁石１０で様々な設計の開閉接点（開閉器）を駆動することができる。また、上記の実施の形態においては、接圧バネ８を用いる例について説明したが、その場合に限らず、可動接点５ｂの開極速度を向上する開放バネを用いるようにしてもよく、あるいは、接圧バネ８および開放バネの少なくとも一方または両方を備えるようにしてもよい。いずれの場合も、同様に、同一の電磁操作電磁石１０で様々な設計の開閉器を駆動できるという効果が得られる。

また、コンデンサ２３，２４に充電する充電装置５１を備え、充電装置５１からコンデンサ２３，２４に充電する経路を備え、充電装置５１からコンデンサ２３，２４に充電する経路とコイル１３，１４にコンデンサ２３，２４から通電する経路を共用する電流経路を備え、コイル１３，１４にコンデンサ２３，２４から通電する専用の経路に直列に接続された抵抗６３，６４を備えるようにしたので、充電時の抵抗による損失を低減できる。

Claims

固定接点、及び上記固定接点に対向して配置された可動接点を備えた開閉器と、上記可動接点に連結された可動鉄心、上記可動鉄心の外周部に固定設置された固定鉄心、及び上記固定鉄心に配置された上記可動鉄心駆動用のコイルを備え、上記可動鉄心の駆動により上記開閉器を開閉駆動する電磁操作器と、
上記可動接点と上記固定接点との接触圧力を確保するための接圧バネと、
放電により上記コイルに放電電流を通電するための電荷を蓄積するコンデンサと、
上記コンデンサを充電する充電装置と、
上記放電電流のピーク値を低減すると共に、
上記接圧バネの動作時点で上記接圧バネの力に抗する開閉駆動力を発生するために必要なコイル電流値を確保できるように上記放電電流の波形を調整するために、
上記充電装置外であって、上記開閉器の開閉駆動用に上記コンデンサから上記コイルに上記放電電流が流れる経路に直列に接続された抵抗と
を備えていることを特徴とする電磁操作開閉装置。