JP5462220B2 - 双安定永久磁石型アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、双安定永久磁石型アクチュエータに関し、より詳細には、永久磁石の磁力を利用して電力機器の遮断器及びスイッチを動作させるためのアクチュエータに関する。

数百ボルト程度の低電圧遮断器、数十キロボルト以上の高電圧遮断器、又は数百キロボルト以上の超高電圧遮断器において、接点の開閉駆動力を与えるアクチュエータとしては、スプリングに蓄積された弾性エネルギーを利用して開閉駆動力を得るスプリング方式のものと、油圧及び空圧を利用して開閉駆動力を得る油空圧方式のものが一般に広く用いられてきた。

しかし、スプリング方式のアクチュエータにおいては、多くの機械的部品が連動して開閉駆動力を与える構成であるため、動作信頼性の確保が容易でないという問題があり、油空圧方式のアクチュエータにおいては、温度変化に応じて開閉駆動力が変化するため、やはり動作信頼性の確保が容易でないという問題があった。

近年、このような問題を解決するために、既存のアクチュエータに代替して、永久磁石と電気エネルギーを利用する、いわゆる永久磁石型アクチュエータが用いられている。永久磁石型アクチュエータは、永久磁石の磁力を利用して可動子を所定の行程距離内で移動可能に内部に固定し、コイルに電気エネルギーを与えることで生成される磁力との相互作用により前記可動子を行程距離内で移動させる。このような可動子の移動によって遮断器が接続又は遮断される。

このような永久磁石型アクチュエータは、可動子が固定される位置によって、双安定（bistable）型と単安定（monostable）型に分けられる。双安定型は、可動子が所定の行程距離の両端で永久磁石により固定される構造を有し、単安定型は、可動子が所定の行程距離の両端のいずれか一方でのみ永久磁石により固定される構造を有する。

このうち、双安定永久磁石型アクチュエータは、電力機器の投入動作時と開放動作時のどちらでも、すなわち可動子の移動方向に関係なく、可動子が永久磁石の磁力により固定されるため、保持機構部がなくても投入／開放動作を行えるという点で、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、このような双安定永久磁石型アクチュエータの一例を示す断面図である。図４に示すように、双安定永久磁石型アクチュエータは、内部に上部コイル１２が巻回される上部シリンダ１４と、下部コイル２０が巻回される下部シリンダ２２と、上部シリンダ１４と下部シリンダ２２との間に位置し、永久磁石１６が固定される中間シリンダ１８とを含む。上部シリンダ１４、中間シリンダ１８及び下部シリンダ２２が組み立てられて形成される空間には、可動子２４が上下に移動可能に設置され、可動子２４の一端部にはオープンスプリング２６が設置される。

図４において、可動子２４は、下部シリンダ２２の突出部に接した状態で、永久磁石１６の磁力により固定された状態を維持する。この状態で上部コイル１２に電流を供給すると、図５に示すように、上部シリンダ１４が磁化して可動子２４に上向きの力を加え、その力が永久磁石１６による磁力より大きくなると、可動子２４は上方に移動して図６に示す状態となる。

この状態で電流を遮断しても、永久磁石１６の磁力により可動子２４は図６に示す状態を維持する。その後、下部コイル２０に電流を供給すると、下部シリンダ２２が磁化して可動子２４を下方に移動させ、可動子２４は図４に示す状態に戻る。このように、上部コイル１２と下部コイル２０にそれぞれ電流を供給することにより、可動子２４を上下に往復移動させることができ、このような可動子２４の往復移動は遮断器をトリップ／投入動作させる。

ここで、オープンスプリング２６は、可動子２４が下部にある際に圧縮され、上部にある際に弛緩するように配置されており、永久磁石型アクチュエータが電力機器（遮断器又は開閉器）に接続された場合、外部電力機器の接点部を手動で開放させる際にこれをより円滑にするためのものである。

このような構造を有する従来の永久磁石型アクチュエータは、その構造が既存のアクチュエータに比べて単純であり、特別なメンテナンスをしなくても安定した動作が保証されるという点で有利であるが、図示のように、上部シリンダ、中間シリンダ及び下部シリンダを一々機械加工して製造しなければならないため加工コストが高く、これらを精密に組み立てなければ可動子を円滑に動作させることができず、組み立てが難しいという問題があった。

また、永久磁石をリング状に加工しなければならないため、磁石加工コストも高いだけでなく、１つの永久磁石を用いるため、永久磁石の磁力が大きいことから組み立てが容易でないという問題があった。さらに、永久磁石と可動子が当接している構造であるため、可動子の動作中に永久磁石と可動子が衝突して破損する恐れも高い。

本発明は、この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、容易に製造することができ、製造コストを低減することのできる双安定永久磁石型アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、動作中に永久磁石が可動子により損傷する恐れを最小限に抑えることのできる永久磁石型アクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、内部に空間部が形成され、複数の板材が積層されて形成される磁束誘導部と、前記磁束誘導部の空間部内で往復移動可能に設置される可動子と、前記空間部の内壁に設置される永久磁石と、前記永久磁石と前記可動子との間に配置され、前記可動子の移動をガイドするガイド部とを含む永久磁石型アクチュエータが提供される。

本発明の上記態様では、前記永久磁石と前記可動子との間に配置される前記ガイド部により、前記永久磁石と前記可動子が直接衝突することを防止して、前記永久磁石の破損を防止することができる。また、アクチュエータの外形を構成し、従来の上部シリンダ、中間シリンダ及び下部シリンダに該当する磁束誘導部を、複数の板材を積層して構成することにより、さらに容易に製造することができる。すなわち、板材をプレス加工して製作された中間品を積層して製造するため、複雑な形状に機械加工する場合に比べて、加工がより容易であるだけでなく、材料の使用効率を向上させることもできる。

ここで、前記ガイド部は、一側面が前記永久磁石と接触し、他側面が前記空間部の内壁と平行になるように配置されてもよい。

また、前記空間部の内壁の両側にそれぞれ２つの永久磁石が互いに傾斜して配置されてもよい。

さらに、前記各永久磁石の両端部に支持部材が配置されてもよい。前記支持部材は、前記各永久磁石間に位置して一種の磁束障壁（flux barrier）として機能する。これにより、前記磁束誘導部及びガイド部の磁束飽和を防止し、磁束を前記可動子に集中させることができ、駆動力及び前記可動子を固定する固定力を高めることができる。

場合によっては、前記各永久磁石を離間して配置して、前記永久磁石間の空間が磁束障壁として機能するようにしてもよい。

一方、前記可動子は、前記空間部の両端部側にそれぞれ配置される１対の可動プレートと、前記可動プレート間に配置されるコイルとを含むようにしてもよい。

上記構成を有する本発明の一態様によれば、装置の外形を構成し、磁束を誘導して可動子を動作させる磁束誘導部を、板材を積層して構成することにより、さらに容易かつ安価に製造できるという利点がある。

また、可動子と永久磁石との間にガイド部を配置することにより、可動子の動作中に可動子との衝突による永久磁石の破損を防止して、機器の寿命を延長することができる。

本発明による永久磁石型アクチュエータの一実施形態を示す斜視図である。 図１に示す永久磁石型アクチュエータの結合構造を示す分解斜視図である。 図１に示す永久磁石型アクチュエータの動作状態を示す断面図である。 従来の双安定永久磁石型アクチュエータの構造を示す概略断面図である。 図４に示す永久磁石型アクチュエータの動作状態を示す断面図である。 図４に示す永久磁石型アクチュエータの動作状態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永久磁石型アクチュエータの一実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明による永久磁石型アクチュエータの一実施形態を示す斜視図であり、図２は、図１に示す永久磁石型アクチュエータの結合構造を示す分解斜視図であり、図３は、図１に示す永久磁石型アクチュエータの内部構造を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態による永久磁石型アクチュエータ１００は、全体的に直方体形状を有する磁束誘導部１１０を含む。磁束誘導部１１０は、同図に示すように、中央に空間部１１２が形成された複数の板材が所定の厚さに積層された構造を有する。空間部１１２は、上下部面は磁束誘導部１１０の上下部面と平行に形成されており、両側壁は中央部が磁束誘導部１１０の外側に向かって突出するように形成されている。

空間部１１２の両側壁には、それぞれ２つの永久磁石１２０が設置される。つまり、本実施形態による永久磁石型アクチュエータ１００は、計４つの永久磁石１２０を含み、１つの側壁に設置される２つの永久磁石１２０は、前記側壁の形状に従って互いに傾斜して配置される。

永久磁石１２０の両端部には、第１支持部材１２２ａ及び第２支持部材１２２ｂが設置される。具体的には、第１支持部材１２２ａは、２つの永久磁石１２０の最外側に位置し、第２支持部材１２２ｂは、２つの永久磁石１２０間に位置する。また、第１及び第２支持部材１２２ａ、１２２ｂは、非磁性体からなり、２つの永久磁石１２０間で磁束障壁として機能する。

永久磁石１２０の空間部１１２側の面には、ガイドプレート１３０が設置される。ガイドプレート１３０も、三角形状を有する複数の板材を積層して形成したものであるが、必ずしも積層構造を有する必要はなく、比較的簡単な形状であるため、一般的な機械加工により一体に形成してもよい。

ガイドプレート１３０は、斜辺側が永久磁石１２０と接して固定され、反対側は空間部１１２の内側に露出する。ここで、第１支持部材１２２ａ、ガイドプレート１３０及び空間部１１２の位置関係は、図１に示すように、これらの構成要素が連接して形成する面が１つの平面となるようにして、後述する可動子１４０が空間部１１２の内部で円滑に往復移動を行えるようにする。

一方、可動子１４０は、空間部１１２、ガイドプレート１３０及び第１支持部材１２２ａが形成する空間の内部で、図１の上下方向に往復移動可能に取り付けられる。具体的には、可動子１４０は、上部に位置する上部可動プレート１４２ａと、下部に位置する下部可動プレート１４２ｂとを含み、上部可動プレート１４２ａと下部可動プレート１４２ｂとの間にコイル１４４が巻回される。さらに、上下部可動プレート１４２ａ、１４２ｂを貫通して可動子軸１４６が設置される。図示していないが、上部可動プレート１４２ａと下部可動プレート１４２ｂとは連結部により連結されており、全体的にＨ字形状をなし、前記連結部の周囲にコイル１４４が巻回される。

また、上下部可動プレート１４２ａ、１４２ｂ及び連結部も、複数の板材を積層して形成される。さらに、可動子１４０を支持するために、磁束誘導部１１０の間には支持プレート１４８が挿入される。支持プレート１４８は１対が対向するように配置され、１対の支持プレート１４８間には可動子軸１４６が固定されるように配置される。

以下、図３を参照して本実施形態による永久磁石型アクチュエータ１００の動作について説明する。

図３は、可動子１４０が空間部１１２の下部に接触して固定された状態を示すものである。この状態では、ガイドプレート１３０、ガイドプレート１３０と可動子１４０間のエアギャップ、下部可動プレート１４２ｂ及び磁束誘導部１１０からなる磁気回路が形成され、従って、永久磁石１２０による磁力が下部可動プレート１４２ｂに作用するため、ある程度以上の外力が加えられない限り、可動子１４０は図３に示す状態を維持する。

この状態でコイル１４４に正方向の電流を供給すると、フレミングの左手の法則により、可動子１４０に上向きの力が加えられる。その力が永久磁石１２０による磁力より大きくなると、可動子１４０は上方に移動して空間部１１２の上壁に接する。この場合、前記電流の供給を中断しても、永久磁石１２０による磁力が上部可動プレート１４２ａに加えられ、可動子１４０は空間部１１２の上壁に接した状態を維持する。

その後、コイル１４４に逆方向の電流を供給すると、可動子１４０に下向きの力が加えられ、その力が永久磁石１２０による磁力より大きくなると、可動子１４０は空間部１１２の下壁に接した状態となり、図３に示す状態に戻る。

以上のように、コイル１４４に供給する電流の方向によって、可動子１４０が上向き又は下向きに移動し、これを利用して遮断器や開閉器を動作させることができる。この過程で、可動子１４０は、ガイドプレート１３０及び磁束誘導部１１０又は第１支持部材１２２ａと接触するだけであり、永久磁石１２０とは接触しないため、可動子１４０との衝突による永久磁石１２０の損傷を最小限に抑えることができる。

また、第１及び第２支持部材１２２ａ、１２２ｂが磁束障壁として機能して、ガイドプレート１３０の磁束飽和を防止し、磁束を可動子１４０に集中させることにより、駆動力を向上させるだけでなく、可動子１４０を空間部１１２の上壁又は下壁に固定する固定力も向上させる。

１００ 永久磁石型アクチュエータ
１１０ 磁束誘導部
１１２ 空間部
１２０ 永久磁石
１２２ａ 第１支持部材
１２２ｂ 第２支持部材
１３０ ガイドプレート
１４０ 可動子
１４２ａ 上部可動プレート
１４２ｂ 下部可動プレート
１４４ コイル

Claims (5)

1. 内部に空間部が形成され、複数の板材が積層されて形成される磁束誘導部と、
   前記磁束誘導部の空間部内で往復移動可能に設置される可動子と、
   前記空間部の内壁に設置される、平面形状の永久磁石と、
   前記永久磁石と前記可動子との間に配置され、前記可動子の移動をガイドするガイド部とを含み、
   １対の可動プレートが前記空間部の両端側にそれぞれ配置され、コイルが前記１対の可動プレート間に配置される永久磁石型アクチュエータ。
2. 前記ガイド部は、一側面が前記永久磁石と接触し、他側面が前記空間部の内壁と平行になるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型アクチュエータ。
3. 前記空間部の内壁の両側にそれぞれ２つの永久磁石が互いに傾斜して配置されることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型アクチュエータ。
4. 前記各永久磁石の両端部に支持部材が配置されることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石型アクチュエータ。
5. 前記各永久磁石が離間して配置されることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石型アクチュエータ。

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