JP5107994B2 - シリンダ状双安定永久磁石アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、シリンダ状双安定永久磁石アクチュエータに関し、より詳しくは、電力機器に遮断機及びスイッチなどを動作させるためのアクチュエータとして利用されるアクチュエータに関する。

一般に、電力機器に用いられるアクチュエータは、スプリングメカニズムと油圧、空圧アクチュエータが使用されているが、このようなアクチュエータは、部品の数が多く、操作力を得るためには機械的エネルギーを制御する必要があるため、非常に複雑であり、メインテナンスを必要とする。
このような問題を解決するために、永久磁石及び電気エネルギーを利用したアクチュエータが従来のメカニズムの代わりに用いられている。永久磁石アクチュエータの場合、永久磁石に磁気エネルギーを供給して所定行程長さで可動部を保持し、コイルに電気エネルギーを供給して可動部を所定行程長さまで移動させる。

永久磁石アクチュエータは、可動子が所定位置に維持される形態によって双安定型と単安定型に区分される。双安定型は、可動子が所定行程長さの両端で両方とも永久磁石によって保持され、単安定型は、行程長さの両端のいずれか一方でのみ保持される形態である。双安定永久磁石アクチュエータは、電力機器の開放動作時にも投入動作時にも永久磁石エネルギーにより可動子が保持されるので、スプリングのような機械的構成要素を必要とせずに開放／投入動作を行うことができることから、別途の保持機構部を必要とする単安定方式に比べて有利である。

図４は、従来の双安定永久磁石アクチュエータの一例を示す。前記アクチュエータは、内側にコイルを設置できる溝を有する上部シリンダ１０と、上部シリンダ１０の下部に位置する中間シリンダ１２と、中間シリンダ１２の下部に位置する下部シリンダ１４とを含む。中間シリンダ１２の内部には、その中央部に可動子が挿入される内部シリンダ１６が設置され、内部シリンダ１６の周縁上部面には永久磁石２０が設置される。
一方、可動子２２は、上部シリンダ１０と下部シリンダ１４間で上下に往復移動できるように設置され、上端面及び下端面にはそれぞれガイド軸２４、２６が結合される。ガイド軸２４、２６は、それぞれ上部シリンダ１０及び下部シリンダ１４に形成されたガイド孔に挿入される。また、ガイド軸２６の下部にはオープンスプリング２８が設置され、該オープンスプリング２８は、可動子２２が下部に位置する場合は圧縮されて可動子２２に上向きの付勢力を加える。
最後に、上部シリンダ１０及び下部シリンダ１４には、それぞれ上部コイル３０及び下部コイル３２が設置される。

前記アクチュエータの動作について説明すると、図４に示すように、可動子２２が下部シリンダ１４と接触している状態では、永久磁石２０の磁束により可動子２２と下部シリンダ１４との接触状態が維持される。この状態で、上部コイル３０に電流を印加すると、可動子２２に上向きの磁気力が印加され、この力が大きくなると、可動子２２は、上方に移動して図５に示すように上部シリンダ１０に接触する。この場合、永久磁石２０による磁束の流れが変わって、可動子２２は、永久磁石２０の磁束により上方位置を維持する。

逆に、可動子２２が図５に示す位置を永久磁石２０の磁気力により維持している場合、下部コイル３２に電流を印加すると、可動子２２に下向きの磁気力が印加される。この力が永久磁石２０の力より大きくなると、可動子２２が下方に移動して図４に示すように下部シリンダ１４に接触する。このように、接触した状態は、永久磁石２０の磁気力により維持される。オープンスプリング２８は、アクチュエータが電力機器（遮断機、開閉機）に連結された場合、外部電力機器の接点部を手動で開放するとき、開放エネルギーとして使用されて可動子を上方位置に移動させる役割を果たす。

しかし、前述したような従来のアクチュエータは、機器を構成する主要部品である上部シリンダ、下部シリンダ、中間シリンダ、及び内部シリンダの全てを中空のシリンダ状に機械加工すべきであるため、加工コストが増加するという問題がある。また、シリンダに装着される永久磁石が大きい外径のリング状であるため、磁石を製造するために必要なコストも増加する。
その他にも、組み立て時にシリンダ状の部品を同一軸線上に合わせて組み立てなければならないという困難があり、１つの永久磁石で可動子を保持しているので、磁石が持つ磁気力が大きくて組み立て過程で他の部品が付着するなどの問題があった。

本発明は、前述したような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、製造を容易にして製造コストを低減できる双安定永久磁石アクチュエータを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、より小さい磁気力を持つ永久磁石を使用できるようにして永久磁石の磁力による組み立て時の問題を解消して組み立て性を改善できる双安定永久磁石アクチュエータを提供することにある。

このような目的を達成するための本発明の一態様によると、内側に空間部を形成するように薄板を巻いて形成したシリンダと、前記シリンダの内側でシリンダの長手方向に往復移動可能に設置される可動子と、前記可動子を挟んで前記シリンダの両端部付近にそれぞれ設置される第１コイル及び第２コイルと、前記第１コイルと第２コイル間に設置される永久磁石とを含む双安定アクチュエータが提供される。

本発明の前記一態様は、アクチュエータの外形を構成するシリンダを機械加工による形成するのでなく、板材を巻いて形成するようにしたものであり、これにより、別途の機械加工が不要になる。

ここで、前記シリンダの内側に固定され、複数の薄板を積層して形成された中間プレートをさらに含み、前記中間プレートに前記永久磁石が固定される。前記中間プレートも原材料を機械加工したものでなく、打ち抜き工程などにより多量に生産された板材を積層したものであるため、製造が容易になる。

ここで、前記中間プレートは、長方形の外形を有することができ、その他にも任意の多角形又は閉曲線の形状を有するように形成することができる。

また、前記中間プレートは、前記可動子が通過できる貫通孔を含み、前記貫通孔の内面に複数の永久磁石が固定される。複数の永久磁石を使用することにより、個々の永久磁石が持つ磁気力の大きさを可動子の保持に必要な磁気力より小さくすることができるので、それにより、組み立て過程での永久磁石の取り扱いが容易になる。

ここで、前記複数の永久磁石の表面には、複数の薄板が積層して形成される磁束誘導板が取り付けられる。

本発明の他の態様によると、内側に空間部を形成するように薄板を巻いて形成した第１シリンダ及び第２シリンダと、前記第１シリンダと第２シリンダ間に配置され、前記第１シリンダ及び第２シリンダの内部空間と連結される貫通孔を有する中間プレートと、前記第１シリンダ、第２シリンダ、及び中間プレートの内側でシリンダの長手方向に往復移動可能に設置される可動子と、前記可動子を挟んで前記第１シリンダ及び第２シリンダにそれぞれ設置される第１コイル及び第２コイルと、前記中間プレートに設置される永久磁石と、前記第１シリンダ及び第２シリンダと前記中間プレートとが結合した状態を維持する固定手段とを含む双安定アクチュエータが提供される。

ここで、前記中間プレートは、複数の薄板を積層して形成することができ、長方形の外形を有する。

また、前記中間プレートの貫通孔の内側に複数の永久磁石が配置される。ここで、前記それぞれの永久磁石の磁気力は、前記可動子を保持するために要求される磁気力の最小値より小さい。さらに、前記複数の永久磁石の表面には複数の薄板が積層して形成される磁束誘導板が取り付けられる。

さらに、前記固定手段は、前記第１シリンダ及び第２シリンダの外側にそれぞれ配置される第１固定板及び第２固定板と、前記第１固定板と第２固定板間に引力を作用させる固定具とを含み、前記固定具は、前記第１固定板と第２固定板間に延びる固定シャフトと、前記固定シャフトの両端部に固定される固定ナットとを含む。

シリンダを機械加工するのではなく、板材を巻いて形成するので、機械加工が省略できて製造が容易になる。さらに、強い磁力を持つ１つの永久磁石の代わりに弱い磁力を持つ複数の永久磁石を用いるため、永久磁石の取り扱いが容易になり、よって、組み立て性が向上する。

本発明の一実施形態による双安定永久磁石アクチュエータを示す斜視図である。 図１の双安定永久磁石アクチュエータを示す分解斜視図である。 図１の双安定永久磁石アクチュエータを示す断面図である。 従来の双安定永久磁石アクチュエータの内部構造を示す断面図である。 従来の双安定永久磁石アクチュエータの内部構造を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明による双安定永久磁石アクチュエータの実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による双安定永久磁石アクチュエータ１００を示す。アクチュエータ１００は、最上端部及び最下端部に第１固定板１０２及び第２固定板１０４を含み、第１固定板１０２と第２固定板１０４間には、第１シリンダ１１０、中間プレート１２０、及び第２シリンダ１３０が順に配置される。

ここで、第１シリンダ１１０、中間プレート１２０、及び第２シリンダ１３０は、分離されないように第１固定板１０２及び第２固定板１０４により固定され、第１固定板１０２と第２固定板１０４間には、第１固定板１０２及び第２固定板１０４の４つの角部に４つの固定ボルト１０６が配置され、これらの固定ボルト１０６の端部に固定ナット１０８を締結することにより、第１固定板１０２と第２固定板１０４間に引力が作用する。

ここで、第１シリンダ１１０及び第２シリンダ１３０は、板材を円筒状に複数回巻いてシリンダ状にしたものである。中間プレート１２０は、複数の長方形の板材を積層したものであり、後述する永久磁石を固定する役割を果たす。第１シリンダ１１０、中間プレート１２０、及び第２シリンダ１３０を結合することにより、図１に示すような外形を形成する。一方、第１固定板１０２の中央部には、ブッシング１４０が固定設置され、ブッシング１４０には可動子の上部シャフトの端部が挿入されて可動子の移動が円滑になる。

図２を参照して図１のアクチュエータの内部構造について説明する。
第１シリンダ１１０及び第２シリンダ１３０の内部空間と中間プレート１２０の内側に形成された貫通孔１２２により定義される内部空間には、可動子１５０が上下移動できるように装着される。可動子１５０の両端部にはそれぞれ上部シャフト１５２及び下部シャフト１５４が装着され、上部シャフト１５２にはギャップリング１５６が嵌合される。後述する上部コアと可動子１５０がギャップリング１５６により所定間隔で離隔されるようにするためである。

一方、第１シリンダ１１０及び第２シリンダ１３０の内部には、それぞれボビン１６０が挿入され、それぞれのボビン１６０には、上部コイル１６２及び下部コイル１６６が巻回されている。また、それぞれのボビン１６０の端部内側には、上部コア１６４及び下部コア１６８が挿入される。上部コア１６４及び下部コア１６８は、上部コイル１６２及び下部コイル１６６に印加される電流により磁化して可動子１５０を移動させる役割を果たす。

また、中間プレート１２０の内部空間のそれぞれの角部には永久磁石を圧接するための永久磁石固定具１７０が設置され、該永久磁石固定具１７０は、全体的に略三角柱の形状を有し、その角部に突出部１７２が形成される。突出部１７２は、中間プレート１２０の角部に形成される溝部１２４に嵌合されて永久磁石固定具１７０を中間プレート１２０の内側に安定して固定させる。

それぞれの永久磁石固定具１７０間には、永久磁石１８０が嵌合される。永久磁石１８０は、一対の永久磁石固定具１７０により押圧されて固定され、中間プレート１２０の中心に向かう永久磁石１８０の表面には磁束誘導板１８２がそれぞれ取り付けられる。磁束誘導板１８２は、一側面が円弧状である複数枚の板材を積層したものであり、永久磁石１８０による磁束を誘導する役割を果たす。

図１及び図２に示す実施形態において、中間プレートが２つのシリンダ間に位置するように構成されているが、これに限定されるのではなく、１つのシリンダの内部に中間プレートが設置される実施形態も考慮することができる。

以下、図３を参照してアクチュエータ１００の動作について説明する。
図３において、可動子１５０は、下部コア１６８に密着した状態を維持し、これは、永久磁石１８０の磁気力により達成できる。この状態で、上部コイル１６２に電流を印加すると、上部コア１６４が磁化して可動子１５０に磁気力が加えられ、このような磁気力が次第に増加して永久磁石１８０の磁気力より大きくなると、可動子１５０は、上部コア１６４側に移動し、ギャップリング１５６が上部コア１６４に接触した状態で永久磁石１８０の磁気力により可動子１５０は上部に移動した状態に維持される。

ここで、可動子１５０を上部位置に保持する力は、ギャップリング１５６により上部コア１６４と可動子１５０間に一定のエアーギャップが形成されているため、可動子１５０を下部位置に保持する力より小さい。

逆に、可動子１５０が上部位置に保持された状態で下部コイル１６６に電流を印加すると、下部コア１６８が磁化して可動子１５０に下向きの磁気力が加えらえる。この下部コア１６８の磁気力が増加して、可動子１５０を上部位置に保持する永久磁石１８０の力よりも大きくなると、可動子１５０は下方に移動して図３に示す状態に戻り、その後、下部コイル１６６に印加される電流を遮断しても永久磁石１８０による磁気力が下部コア１６８にも印加されるので、可動子１５０は図３に示す状態を継続して維持することができる。

Claims (7)

1. 内側に空間部を形成するように薄板を巻いて形成した第１シリンダ及び第２シリンダと、
   前記第１シリンダと第２シリンダ間に配置され、前記第１シリンダ及び第２シリンダの内部空間と連結される貫通孔を有する中間プレートと、
   前記第１シリンダ、第２シリンダ、及び中間プレートの内側でシリンダの長手方向に往復移動可能に設置される可動子と、
   前記可動子を挟んで前記第１シリンダ及び第２シリンダにそれぞれ設置される第１コイル及び第２コイルと、
   前記中間プレートに設置される永久磁石と、
   前記第１シリンダ及び第２シリンダと前記中間プレートとが結合した状態を維持する固定手段とを含み、
   前記固定手段は、前記第１シリンダ及び第２シリンダの外側にそれぞれ配置される第１固定板及び第２固定板と、
   前記第１固定板と第２固定板間に延びる固定シャフトと、
   前記固定シャフトの両端部に固定される固定ナットと、を含む、
   ことを特徴とする双安定アクチュエータ。
2. 前記中間プレートは、複数の薄板を積層して形成したものであることを特徴とする請求項１に記載の双安定アクチュエータ。
3. 前記中間プレートは、長方形の外形を有することを特徴とする請求項２に記載の双安定アクチュエータ。
4. 前記永久磁石は、前記中間プレートの貫通孔の内側に設置されることを特徴とする請求項１に記載の双安定アクチュエータ。
5. 前記中間プレートの貫通孔の内側に複数の永久磁石が配置されることを特徴とする請求項４に記載の双安定アクチュエータ。
6. 前記複数の永久磁石の表面には複数の薄板が積層して形成される磁束誘導板が取り付けられることを特徴とする請求項５に記載の双安定アクチュエータ。
7. 前記それぞれの永久磁石の磁気力は、前記可動子を保持するために要求される磁気力の最小値より小さいことを特徴とする請求項５に記載の双安定アクチュエータ。

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