JP6189028B2 - 電力用開閉装置、及びその操作機構 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、可動接点を操作する電磁駆動方式の操作機構、及び当該操作機構を備える電力用開閉装置に関する。

電力用開閉装置は、一対の接点を備え、この接点を接離させることで電路を開閉する。事故電流が検知されると、電力用開閉装置には遮断信号が入力され、電力用開閉装置は、この遮断信号を契機に電流を遮断すべく接点を開離させる。

この電力用開閉装置は、一般的に、更に一対のアーク接点とパッファ室又は昇圧室を備えている。アーク接点は、接点の開離によって発生するアーク放電を引き受ける。パッファ室や昇圧室はピストンとシリンダで構成され、シリンダ及びピストンを相対的に移動させることで室内に滞留するガスを圧縮し、アーク接点間に室内の高圧ガスを吹き付ける。この高圧ガスの吹き付けによりアーク放電は消弧に至り、電流遮断が完了する。

操作機構は、この電路開閉用の可動接点、アーク可動接点、及びピストン又はシリンダをそれぞれ相対移動させるために備えられている。従って、この操作機構には、任意の駆動が可能であること、可動子の高速移動が可能であること、及び、可動子の応答性能が良いことが要求される。

任意の駆動が要求されるのは、事故電流は交流であり其の電圧は周期的に変動していること、及び事故発生時の位相がランダムであることにより、事故電流の発生から消弧の状態推移を鑑みて遮断しやすい適切なタイミングで遮断動作を行うことが望ましいからである。可動子の高速移動及び応答性能が要求されるのは、遮断動作は、遮断指令開始から数十ｍｓｅｃという短時間で完了しなければならないからである。

さらに、これらの駆動性能に加えて、電力設備の地下設置化が進展していること、及び駆動機構を有することから、操作機構のサイズ上の制約やメンテナンス性といった性能も求められている。

現在、操作機構としては、空気式、油圧式、ばね式、電磁駆動式が提供されている。油圧式は油圧アクチュエータを用いて可動部を駆動する方式である。ばね式は、圧縮したばねを開放した際のエネルギーを用いて可動部を駆動する方式であり、現在の主流である。電磁駆動式は電磁アクチュエータにより可動子を駆動する方式である。

油圧式は、一般に大推力を得ることができ、高速化には有利である。油圧機構の駆動エネルギーあたりの大きさを考えるとばね機構より小型化が期待できるが、油圧ポンプ、アキュムレータを始めとする油圧システムが必要となるため、欠点として、油漏れと温度依存性があり、寒冷地などの機構としては不向きである。

ばね式は、現在の主流となっており、油圧方式に比べて油漏れもなく、温度依存性がないため、寒冷地などを含むどの地域でも適用が可能である。しかしながら、当該方式は、多くの部品から構成されており、構造が複雑であるとともに摺動部を多く含んでいるため、多数回駆動した際の故障リスクが高い。そのためメンテナンスの頻度が多くなり、且つ、部品点数が多く構造が複雑であることから、多大な労力を要する。このようにメンテナンスの頻度・労力の観点からみてメンテナンス性が良いとはいえない。さらに、ばねの力を利用しているため、任意の駆動ができない。

一方、電磁式は、構造が簡素なために部品点数や摺動部が少なく、メンテナンス性に優れる。電気信号に対する応答速度も十分に速い。電磁駆動式の例としては、回転機の動力を直動変換して可動接点を駆動する方式がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。この方式では回転機の駆動を制御することで任意の駆動を実現できる。

また、電磁吸引力、電磁反発力を直接推力として用いる例として、電磁石および永久磁石の吸引力を利用する方式（例えば、特許文献３参照。）、空心コイルに働く電磁吸引力あるいは反発力を利用する方式（例えば、特許文献４、特許文献５参照。）、誘導反発力を利用する方式（特許文献６参照）を挙げることができる。空心コイルを用いる場合には、電気回路の時定数が小さく初期動作において高い応答性能が得られるといった特徴がある。

また、互いに一定間隔を保持して内外に配置された円筒型永久磁石を用い、内外の円筒型永久磁石の間に位置する空心コイルに励磁電流を与えることで、この空心コイルを駆動する方式も提供されている（例えば、特許文献７、特許文献８参照。）。

特開２００９−２１２３７２号公報 特開２００８−０２１５９９号公報 特開２００３−０１６８８８号公報 特開平１０−０４０７８２号公報 特開２００２−１２４１５８号公報 特開平１１−０２５８１７号公報 特許第４６２５０３２号公報 特開２０１０−１５４６８８号公報

このように電磁駆動式の操作機構は、各種が提案されているが、油圧式の操作機構やばね式の操作機構に比べて、可動接点の高速投入及び高速遮断のために不可欠となる推力の面で劣っているという指摘がされていた。

すなわち、特許文献１及び２に示される回転電動機を用いた例では、高トルクを得るために回転電動機の巻線には鉄心を用いるという提案がなされているが、インダクタンスが大きくなり、電気回路の時定数も大きくなるため、応答性能の向上には限界が生じてしまう。そのため、推力と応答性能のトレードオフとなってしまう。

また、特許文献３乃至６の電磁吸引力や電磁反発力を直接推力として用いる方式では、全可動域において任意の駆動を行うのは困難であるため、遮断しやすい適切なタイミングで遮断動作を行うことが難しい。

特許文献７に示される円筒型永久磁石を配したアクチュエータを用いる方式では、任意の駆動が可能であり、コイルには鉄心を用いていないため、比較的インダクタンスを小さく抑えることが可能である。

しかしながら、この特許文献７においては、より強力な磁束を生み出すため、そして、外部に磁場の影響を与えないために、外円筒永久磁石の外側および内円筒永久磁石の内側に円筒状の磁性体からなるバックヨークを用いているため、少なからずコイルのインダクタンスの増加を招いてしまうという問題がある。さらに、推力を増加させるため強力な永久磁石を用いる場合には、バックヨークの磁気飽和を避けるためにバックヨークを厚くしなければならない。このため、強力な永久磁石を用いたとしても推力／体積比を小さくするのは難しかった。

一方、特許文献８のリニアアクチュエータでは、周期的に磁化ベクトルが変化するように永久磁石を特殊な配列に並べることで、バックヨークを必要としない構成となっている。そのため、軽量かつ優れた応答性能を有し、任意の駆動が可能なアクチュエータといえる。当該アクチュエータを電力用開閉装置の操作機構として用いることで、優れた遮断性能が得られるものであろう。

但し、特許文献８のリニアアクチュエータは、軽量かつ優れた応答性能を有し、任意の駆動が可能であるものの、リニアアクチュエータは構造上、可動子を駆動軸方向に案内するリニアガイドが必要となる。このため、油圧式やばね式に比べれば、メンテナンス性は良いといえるが、このリニアガイドがメンテナンス性の低下を招くおそれがある。

また、リニアガイドは大型化や高コスト化を招く要因であることは言うまでもない。更には、リニアアクチュエータの可動部質量の増加を招くため、高速化にも悪影響を及ぼすだろう。

以上のとおり、従来の電力用開閉装置向け電磁式操作機構では、様々な方式が提案されており、優れた駆動性能を有するものもあるが、電磁式の持つメンテナンス性の良さを最大限に引き出せているとはいえなかった。

本発明はかかる課題を解決するためになされたもので、機械的ガイドを必要とせず、メンテナンス性に優れる電磁式の操作機構及びこれを備えた電力用開閉装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、可動接点を往復駆動することで、開閉装置を遮断状態と投入状態との間で相互に移行させるための電力用開閉装置の操作機構は、第一の永久磁石の列と第二の永久磁石の列と二重円筒と浮遊出力環と励磁手段とを備える。

第一の永久磁石の列は、円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において最大でも９０度ずつ回転するよう当該永久磁石を隣接させて構成される。第二の永久磁石の列は、円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において最大でも９０度ずつ回転するよう当該永久磁石を隣接させて構成される。

二重円筒は、磁化ベクトル半径方向成分が同じ向きの前記第一の永久磁石と前記第二の永久磁石とを対向させ、両列が一定距離を保つように固定する。浮遊出力環は、導体で構成されるコイルが巻き付けられて、前記第一の永久磁石の列と前記第２の永久磁石の列との間に位置し、前記可動接点に直接又は間接的に繋がる以外は他部材との機械的な拘束関係を有しない。

励磁手段は、前記コイルへの励磁電流を生成する。この励磁手段は、支持力制御手段と推力制御手段とを備える。支持力制御手段は、前記励磁電流の前記コイルの界磁に寄与する電流成分を制御することで、磁気による前記浮遊出力環に対する支持力を発生させて、前記二重円筒と前記浮遊出力環の中心軸を一致させる。推力制御手段は、前記励磁電流の前記コイルの推力に寄与する電流成分を制御することで、前記二重円筒と前記浮遊出力環との間の軸方向推力を発生させる。

前記二重円筒は、端面に当該二重円筒の各筒を連結して各筒の距離を固定する円板と、前記円板に設けられ、前記浮遊出力環が貫通する開口部と、前記開口部の縁に設けられ、前記浮遊出力環に対する低摩擦樹脂部とを備えるようにしてもよい。

また、前記二重円筒は、端面に当該二重円筒の各筒を連結して各筒の距離を固定する円板と、前記円板に設けられ、前記浮遊出力環が貫通する開口部とを備え、前記浮遊出力環は、前記開口部を通過する周面領域に低摩擦樹脂部を備えるようにしてもよい。

第一の実施形態に係る電力用開閉装置を示す内部構成図である。 リニア電動機の外観を示す斜視図である。 リニア電動機の軸に沿ったＡ−Ａ’断面図である。 リニア電動機の軸に直交するＢ−Ｂ’断面図である。 駆動装置の構成図である。 制御器の構成図である。 伝達機構を示す構成図である。 励磁電流のｄ軸成分を一定とした場合の反発力を示す模式図である。 三相コイル周辺の磁束の状態を示す模式図である。 第２の実施形態に係り、リニア電動機を軸方向から見た概略外観図である。 第３の実施形態に係り、浮遊出力環の表面を示す概略外観図である。 第４の実施形態に係る電力用開閉装置を示す内部構成図である。 第４の実施形態に係るリニア電動機の外観を示す斜視図である。

（第１の実施形態）
（１．構成）
（１−１．全体構成）
図１は、第１の実施形態に係る電力用開閉装置を示す内部構成図である。電力用開閉装置１００は、負荷開閉器、断路器、遮断器などの電路を開閉する装置であり、駆動装置２とリニア電動機３と伝達機構４とを有する操作機構１、開閉機構５を備えている。

駆動装置２は、電源２００から送出される電力を励磁電流としてリニア電動機３へ付与することで、リニア電動機３を駆動させる。リニア電動機３は、駆動装置２から励磁電流を受けて磁力の相互作用、及び磁界と電流の相互作用によって、直線方向の推力を発生させる。伝達機構４は、軸方向に進退可能な操作ロッド４１を有しており、この操作ロッド４１が押し引きされることによってリニア電動機３が発生させた推力を開閉機構５に伝達する。

開閉機構５は、消弧性ガスが充填された密閉空間５１内に可動接点５２と固定接点５３とを配設しており、また可動接点５２は操作ロッド４１に固定されており、可動接点５２は、操作ロッド４１の押し引きに応じて固定接点５３に対して離反又は接触し、これにより開閉機構５は電路を開閉する。

（１−２．リニア電動機）
図２乃至４は、リニア電動機３の詳細構成を示す図であり、図２はリニア電動機３の外観を示す斜視図、図３はリニア電動機３の軸に沿ったＡ−Ａ’断面図、図４はリニア電動機３の軸に直交するＢ−Ｂ’断面図である。

リニア電動機３は、図２に示すように、大別すると浮遊出力環３４と二重円筒３５を備えている。地上等のフロアに固設されたカバーに移動不能に固定された二重円筒３５に対して、二重円筒３５の内部に配置された浮遊出力環３４が軸方向に移動することで、浮遊出力環３４に固定された操作ロッド４１に直線方向の推力を与える。

二重円筒３５は、同心の二重殻を有する。浮遊出力環３４は、非磁性材料によって形成され、一対の長い円弧板３４ａ、３４ｂが円弧中心を一致させて向かい合わせになった形状、換言すると、円筒の周壁の一部対面箇所が軸に沿って切り欠かれた形状を有する。

二重円筒３５の外殻は、地上等のフロアに固設されたカバーに支持部材を介して固定されている。二重円筒３５の設置向きは、縦置きでも横置きでも特に限定されない。浮遊出力環３４の外径は二重円筒３５の外殻径よりも小さく、内殻径よりも大きい。この浮遊出力環３４は、二重円筒３５の外殻と内殻との間に介在して二重円筒３５の内部に延設されている。

この浮遊出力環３４は、可動接点５２と直接又は操作ロッド４１を介して間接的に繋がる以外は、リニア電動機３において二重円筒３５やその他の構成部材との機械的な拘束を受けておらず、後述するように磁気反発力によって浮遊支持されている。換言すると、浮遊出力環３４は、構造力学上の支持力を受けてはおらず、例えば二重円筒３５の半径方向の位置を規制するガイドバーのような存在はない。

二重円筒３５の両端部は、非磁性材料によって形成された円板３５ａにより閉蓋されている。この円板３５ａは、二重円筒３５の外殻及び内殻を一定クリアランス及び一定姿勢を保ったまま繋げる連結部材として機能しており、二重円筒３５の外殻及び内殻の端部がそれぞれ円板３５ａに固定されている。また、浮遊出力環３４の一対の円弧板３４ａ、３４ｂについても両端部に固定された円板３４ｃによって一定クリアランス及び一定姿勢を保ったまま繋がっている。

更に、浮遊出力環３４の軸方向の長さは二重円筒３５の軸方向の長さよりも長い。すなわち、二重円筒３５の両端を閉蓋する円板３５ａには、浮遊出力環３４が貫通する開口部３５ｂが円弧板３４ａ、３４ｂの形状に合わせて形成されている。

このような殻構造を有するリニア電動機３は、図３及び４に示すように、概略等しい磁化エネルギーを保持した外側永久磁石３１の列及び内側永久磁石３２の列により発生する磁場と三相コイル３３の励磁によって、三相コイル３３が巻回された浮遊出力環３４を軸方向に進退させ、これが直線方向の推力となる。

すなわち、リニア電動機３の内部において、三相コイル３３は、浮遊出力環３４に巻装されている。三相コイル３３が巻装される浮遊出力環３４の箇所は、貫通せずに十分な強度を維持できる程度に一段掘り下げられており、三相コイル３３は、浮遊出力環３４の外周面と面一若しくは埋没している。三相コイル３３に対する励磁電流の供給線３３ａは、浮遊出力環３４の周壁内部を通って円板３４ｃから引き出される。

外側永久磁石３１の列及び内側永久磁石３２の列は、浮遊出力環３４を形成する殻壁を挟んで軸方向に沿って敷設されている。浮遊出力環３４の殻壁と外側永久磁石３１の列及び内側永久磁石３２の列との間には一定のクリアランスが設けられている。

内側永久磁石３２は、円弧状又は円環形状であり、内側パイプ３８に固定されている。この内側パイプ３８は、浮遊出力環３４の内部に位置が固設される二重円筒３５の内殻である。内側永久磁石３２は、この内側パイプ３８の外周面に嵌め込まれ、内側パイプ３８の軸方向に複数並べられることで、浮遊出力環３４の内周面と対向する。

外側永久磁石３１は、円弧状又は円環形状であり、外側パイプ３９に固定されている。この外側パイプ３９は、浮遊出力環３４を内部に収容するにように位置が固設される二重円筒３５の外殻である。外側永久磁石３１は、この外側パイプ３９の内周面に嵌め込まれ、外側パイプ３９の軸方向に複数並べられることで、浮遊出力環３４の外周面と対向する。

内側永久磁石３２及び外側永久磁石３１は、それぞれ、磁化の向きを少しずつ変えて並べたハルバッハ配列で並べられている。本実施形態では、浮遊出力環３４の中心軸を含む断面において、隣接の永久磁石の磁化の向きが最大でも９０度ずつ回転するように永久磁石が配置される。

また、内側永久磁石３２の列と外側永久磁石３１の列とでは、回転する磁化の向きが逆である。すなわち、例えば、外側永久磁石３１の列に沿って順番に見た磁化の向きは時計回りになり、内側永久磁石３２の列に沿って順番に見た磁化の向きは反時計回りになる。

更に、この内側永久磁石３２及び外側永久磁石３１は、浮遊出力環３４の殻壁を挟んで１対１で対向するように配置される。磁化ベクトルが同じ向きの半径方向成分を有する内側永久磁石３２及び外側永久磁石３１が対向し、磁化ベクトルが逆向きの軸方向成分を有する内側永久磁石３２及び外側永久磁石３１が対向する。この半径方向及び軸方向とは円弧状又は円環状の外側永久磁石３１及び内側永久磁石３２を基準にした方向である。

また、このようなリニア電動機３において、三相コイル３３の外側永久磁石３１の列に対する相対位置は位置センサ２１によって検出される。位置センサ２１は、リニアスケール２１ａと光学式ピックアップ２１ｂとで構成される。

光学式ピックアップ２１ｂは、浮遊出力環３４の外周面であって、二重円筒３５から突出した部分に立設した接続部材３７に取り付けられており、浮遊出力環３４とともに移動する。リニアスケール２１ａは、二重円筒３５の外側パイプ３９の外周面に取り付けられており、光学式ピックアップ２１ｂと対面している。光学式ピックアップ２１ｂは、受発光の指向方向をリニアスケール２１ａに向けることで、リニアスケール２１ａの目盛を検出する。

（１−３．駆動装置）
図５は、駆動装置２の構成図である。駆動装置２は、母線２２を介して電力の授受を行う電力変換器２３及び電源電力変換器２４を備えている。母線２２には、電力貯蔵手段として、平滑コンデンサ２５及び蓄電装置２６が更に接続されている。

平滑コンデンサ２５及び蓄電装置２６は、並列に接続されて平滑回路として機能し、三相コイル３３での電力の消費及び三相コイル３３からの電力の回生時においても、母線２２の電圧変動を小さく抑える。平滑コンデンサ２５や蓄電装置２６は母線２２の適当な箇所に複数個配置されていても差し支えない。

蓄電装置２６には、バッテリ−２６ａ、抵抗器２６ｂ、及びダイオード２６ｃが配置されている。抵抗器２６ｂ及びダイオード２６ｃは、バッテリ−２６ａの正極側に接続されており、また抵抗器２６ｂとダイオード２６ｃとは並列に接続されている。すなわち、バッテリ−２６ａの過充電を抑制すべく、バッテリ−２６ａからの電力供給時には抵抗器２６ｂでの電力消費がなく、バッテリ−２６ａへの充電時には抵抗器２６ｂで充電電力の一部が消費されるように構成されている。

電源電力変換器２４は、インバータ２４ａと回生受電制御器２４ｂを備えている。回生受電制御器２４ｂは、外部からの回生受電指令信号に基づいて、平滑コンデンサ２５およびバッテリ−２６ａに蓄えられた電力を電源２００へ回生するとともに、電源２００からの電力を貯蔵するためにインバータ２４ａの点弧角を制御する。

電力変換器２３は、三相コイル３３への励磁電流を生成する励磁手段の一例である。この電力変換器２３は、三相コイル３３への交流の励磁電流を生成して、供給線３３ａを介して三相コイル３３に供給するＰＷＭインバータ２３ａを備えている。また、この電力変換器２３は、ＰＷＭインバータ２３ａが生成及び供給する励磁電流を制御する制御器２３ｂを備えている。

ＰＷＭインバータ２３ａは電力変換素子群を備えており、制御器２３ｂは、この電力変換素子群の点弧角を制御する。このとき、制御器２３ｂは、駆動装置２の外部から入力された推力指令値ｉｑ−ｒｅｆ及び支持力指令値ｉｄ−ｒｅｆに等しい推力及び支持力が三相コイル３３に発生するように、ＰＷＭインバータ２３ａを制御する。駆動装置２の外部とは、例えば、電力用開閉装置１００と信号線によって電気通信可能に接続された外部端末である。

尚、推力とは、浮遊出力環３４の軸方向の移動力である。支持力とは、浮遊出力環３４の半径方向の浮遊力であり、浮遊出力環３４の中心軸を二重円筒３５の中心軸に倣って一致させ、浮遊出力環３４の姿勢を案内する作用を生み出す。

（１−４．制御器）
図６は、制御器２３ｂの構成図である。制御器２３ｂは、三相コイル３３のＵ、Ｖ、及びＷ相のうち、少なくともＵ相とＷ相の励磁電流を検出するＵ相電流センサ２７及びＷ相電流センサ２８（図５参照）に接続され、また三相コイル３３の外側永久磁石３１の列に対する相対位置を検出する位置センサ２１に信号線によって信号受信可能に接続されている。制御器２３ｂは、Ｕ相電流センサ２７及びＷ相電流センサ２８と位置センサ２１からの信号を参照して推力制御及び支持力制御を行う。

この制御器２３ｂは、一例として、３相／２相変換器６１と、推力制御器６２と、支持力制御器６３と、２相／３相変換器６４とを備えている。３相／２相変換器６１、推力制御器６２、支持力制御器６３、及び２相／３相変換器６４は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やＲＩＳＣ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等の演算器により構成されている。

３相／２相変換器６１は、三相コイル３３のＵ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流、及び三相コイル３３の移動距離を入力とし、クラーク変換及びパーク変換を順に演算して、三相コイル３３に注入されている励磁電流のｄ軸電流成分ｉｄとｑ軸電流成分ｉｑとを算出する。

ｄ軸電流成分ｉｄは、三相コイル３３の界磁に寄与する電流成分であり、ｑ軸電流成分ｉｑは、三相コイル３３の推力に寄与する電流成分である。Ｖ相電流は、１２０度位相が進み及び遅れているＵ相電流とＷ相電流とを用いて推定してもよい。すなわち、３相／２相変換器６１は、少なくとも、Ｕ相電流センサ２７、Ｗ相電流センサ２８及び位置センサ２１に信号線を介して信号受信可能に接続されている。

推力制御器６２は、外部からの推力指令値ｉｑ−ｒｅｆと３相／２相変換器６１からのｑ軸電流成分ｉｑを入力とし、ｑ軸電流成分ｉｑから推定される推力又はｑ軸電流成分ｉｑが、推力指令値ｉｑ−ｒｅｆが示す目標推力又は当該目標推力を発生させる励磁電流のｑ軸電流成分と等しくなる制御入力ｑ軸成分を算出する。この制御入力ｑ軸成分は、ＰＷＭインバータ２３ａが電流制御の場合は電流値、ＰＷＭインバータ２３ａが電圧制御の場合は電圧値である。

推力制御器６２による制御入力ｑ軸成分の算出は、例えばＰＩ制御又はＰＩＤ制御により行う。すなわち、推力制御器６２は、推力指令値ｉｑ−ｒｅｆとｑ軸電流成分ｉｑとの偏差、偏差の積分、又は偏差の微分、又はこれらの組み合わせの和に比例する制御入力ｑ軸成分を算出する。

支持力制御器６３は、外部からの支持力指令値ｉｄ−ｒｅｆと３相／２相変換器６１からのｄ軸電流成分ｉｄを入力とし、ｄ軸電流成分ｉｄから推定される支持力又はｄ軸電流成分ｉｄが、推力指令値ｉｄ−ｒｅｆが示す目標支持力又は当該目標支持力を発生させる励磁電流のｄ軸電流成分と等しくなる制御入力ｄ軸成分を算出する。制御入力ｄ軸成分は、ＰＷＭインバータ２３ａが電流制御の場合は電流値、ＰＷＭインバータ２３ａが電圧制御の場合は電圧値である。目標支持力は、浮遊出力環３４の中心軸を二重円筒３５の中心軸に倣わせて一致させるために三相コイル３３が発生させる磁気反発力である。

支持力制御器６３による制御入力ｄ軸成分の算出は、例えばＰＩ制御又はＰＩＤ制御により行う。すなわち、支持力制御器６３は、支持力指令値ｉｄ−ｒｅｆとｄ軸電流成分ｉｄとの偏差、偏差の積分、又は偏差の微分、又はこれらの組み合わせの和に比例する制御入力ｄ軸成分を算出する。

２相／３相変換器６４は、推力制御器６２及び支持力制御器６３から出力されたｄｑ軸系の制御入力ｄ軸成分及び制御入力ｑ軸成分を入力とし、逆パーク変換及び逆クラーク変換を順に演算することで、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各制御入力を算出する。そして、２相／３相変換器６４は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各制御入力をＰＷＭインバータ２３ａへ送り、三相コイル３３に注入する励磁電流を生成させる。この励磁電流は、推力指令値ｉｑ−ｒｅｆ及び支持力指令値ｉｄ−ｒｅｆに従った推力及び支持力を発生させる力となる。

ここで、推力指令値ｉｑ−ｒｅｆは、浮遊出力環３４の次の目標軸方向速度及び目標軸方向位置により決定され、位置センサ２１が出力する三相コイル３３の移動距離を示す情報を元に生成される。一方、支持力指令値ｉｄ−ｒｅｆは、浮遊出力環３４の径方向相対変位および相対姿勢角をセンシングしフィードバック制御する必要のない受動安定であり、一定値である。

すなわち、浮遊出力環３４は、制御器２３ｂによって軸方向に１自由度の制御系で軸方向移動及び姿勢安定が制御される。そのため、一定値である支持力指令値ｉｄ−ｒｅｆについては、支持力制御器６３にメモリ等の記憶領域を具備させておき、その記憶領域に記憶させるようにしてもよい。

（１−５．伝達機構）
図７は、伝達機構４を示す構成図であり、左半図が遮断状態、右半図が投入状態を示している。尚、この実施形態では投入状態を保持する例を用いて説明されているが、同様の機構を用いて遮断状態を保持することもできる。

まず、伝達機構４の操作ロッド４１と浮遊出力環３４との間には、別の中間ロッド４２が接続されている。この中間ロッド４２の一端と、出力環３４の一端とは、共通のピンによって回転可能に軸支されている。また、中間ロッド４２の他端と操作ロッド４１の一端とは、共通のピンによって回転可能に軸支されている。中間ロッド４２と出力環３４を軸支しているピンと、操作ロッド４１と中間ロッド４２を軸支しているピンとは、直交している。

また、伝達機構４は、磁気ユニット４３とターゲット４４とを有し、磁気吸引力によって、可動接点５２と固定接点５３との接触状態を維持する。ターゲット４４は、強磁性体により形成された板状部材であり、中間ロッド４２の周面に立設されている。一方、中間ロッド４２は地上に固定されたフレーム４５に挿通されているが、強磁性体により形成されたヨーク４３ａと永久磁石４３ｂから構成されている磁石ユニット４３は、ターゲット４４に対向するように、フレーム４５の中間ロッド４２が通る孔の近傍に固定されている。

磁石ユニット４３とターゲット４４の位置関係は、磁石ユニット４３が開閉機構５側であり、ターゲット４４が浮遊出力環３４側である。要するに、操作ロッド４１が可動接点５２を固定接点５３に接触させる方向に移動したときに、ターゲット４４が磁石ユニット４３へ近づくように両者は配置される。尚、磁石ユニット４３とターゲット４４の位置関係を逆にしても同様の効果を得ることができる。

（２．作用）
（２−１．三相コイルの案内及び姿勢）
このような電力用開閉装置１００の動作及び作用を説明する。まず、三相コイル３３にゼロ以外（ｉｄ≠０）のｄ軸電流成分を有する励磁電流を注入した場合の三相コイル３３の姿勢について説明する。

図８は、励磁電流のｄ軸成分を一定とした場合の反発力を示しており、励磁電流のｄ軸成分の値を規定運転時の励磁電流のｑ軸成分に対する比で表している。図９は、三相コイル３３周辺の磁束の状態を示しており、本説明の場合、リニア電動機３が横置き配置されている。

まず、励磁電流のｄ軸電流成分は三相コイル３３に界磁作用をもたらす。この界磁作用によって三相コイル３３が作る磁束は、外側永久磁石３１の列及び内側永久磁石３２の列によって形成されている磁束に対して反発し合う。その反発力は、互いの磁束線同士の距離が短いほど大きくなる。

このような復元力は、図８に示す解析結果によって裏付けられている。図８に示すように、復元力は、二重円筒３５に対する浮遊出力環３４の径方向相対変位に比例して大きくなる。また、励磁電流のｄ軸電流成分を変化させることで、その比例定数は変化する。従って、励磁電流のｄ軸電流成分を制御することで意図した支持力、及び二重円筒３５に対する浮遊出力環３４の相対姿勢が得られる。

このため、図９の（ａ）に示すように、浮遊出力環３４の上半円が外側パイプ３９の天井側に偏って浮き上がると、リニア電動機３の上半円において、三相コイル３３が外側永久磁石３１の列に近づき、外側永久磁石３１の列と三相コイル３３との間に働く反発力は、内側永久磁石３２の列と三相コイル３３との間に働く力より大きくなる。

反対に、リニア電動機３の下半円において、三相コイル３３が内側永久磁石３２の列に近づき、内側永久磁石３２の列と三相コイル３３との間に働く反発力は、外側永久磁石３１の列と三相コイル３３との間に働く力より大きくなる。

その結果、三相コイル３３が巻回された浮遊出力環３４には、その軸芯が二重円筒３５の軸芯に一致する方向へ戻る下向きの力が働く。

また、図９の（ｂ）に示すように、三相コイル３３が時計回りに回転した場合には、三相コイル３３の浮き上がった側は下向きの力が働き、三相コイル３３の沈み込んだ側は上向きの力が働き、これによって、三相コイル３３が巻回された浮遊出力環３４には、その軸芯が二重円筒３５の軸芯に一致する方向へ戻る反時計回りのモーメントが生じる。

この作用が、浮遊出力環３４の運動を軸方向に１自由度に案内するガイドとしての役割を果たすこととなる。当該作用は磁気反発力を利用しているため、浮遊出力環３４の軸方向以外の自由度に関しては受動安定となり、浮遊出力環３４の径方向相対変位および相対姿勢角をセンシングしフィードバック制御する必要はない。

すなわち、励磁電流のｄ軸成分の制御には、必要となるＵ相電流センサ２７及びＷ相電流センサ２８と位置センサ２１だけで十分である。また、浮遊出力環３４の軸方向の運動に関しては、受動安定ではないが、推力制御器６２によって制御されるため何ら問題はない。

（２−２．遮断過程）
以上のように浮遊出力環３４に対する支持力が制御される電力用開閉装置１００においては、系統に事故電流が発生すると、外部から推力指令値ｉｑ−ｒｅｆ及び支持力指令値ｉｄ−ｒｅｆが入力される。支持力指令値ｉｄ−ｒｅｆが電力用開閉装置１００に記憶されている場合は、推力指令値ｉｑ−ｒｅｆのみが入力される。

推力制御器６２は、三相コイル３３に対する励磁電流の生成をＰＷＭインバータ２３ａに指示し、三相コイル３３に対して推力指令値ｉｑ−ｒｅｆと等しいｑ軸電流成分ｉｑを有する励磁電流を注入させる。

このとき、外側永久磁石３１列と内側永久磁石３２列は、図９に示すように、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列を環で結んだ磁気回路を形成している。より具体的には、磁気回路は、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列の内部を通過する軸方向の磁束と、外側永久磁石３１と内側永久磁石３２との間の隙間部を通る半径方向の磁束とを結んで形成される。そして、外側永久磁石３１の列の外側面から出る磁束はほとんどなく、また内側永久磁石３２の列の内側面から出る磁束はほとんどない。

従って、外側永久磁石３１と内側永久磁石３２との間の隙間部には、半径方向の磁束が極めて多く分布するようになり、励磁された三相コイル３３に対して多くの半径方向の磁束が直角に鎖交することとなる。

そのため、三相コイル３３が巻回された浮遊出力環３４は、磁力の相互作用及び磁界と電流の相互作用によって、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列との間を軸方向へ移動する推力指令値ｉｑ−ｒｅｆに比例した推力が発生する。

一方、支持力制御器６３は、三相コイル３３に対する励磁電流の生成をＰＷＭインバータ２３ａに指示し、三相コイル３３に対して一定値である支持力指令値ｉｄ−ｒｅｆと等しいｄ軸電流成分ｉｄを有する励磁電流を注入させる。

そのため、外側永久磁石３１列と内側永久磁石３２列が発生させる磁束との相互作用によって浮遊出力環３４の中心軸が二重円筒３５の中心軸と一致するような磁束が三相コイル３３に発生し、これら磁束の反発力によって、浮遊出力環３４の軸方向への移動中においても径方向の位置と姿勢が一定に保たれる。

これにより、三相コイル３３が巻回された浮遊出力環３４は、径方向の位置と姿勢を安定させながら、軸方向に移動し、操作ロッド４１を引っ張る。操作ロッド４１に連結された可動接点５２は、固定接点５３から開離し始め、アーク放電が電流ゼロ点の経過の後に消弧し、電流遮断に至る。

電流遮断に至るタイミング、すなわち、位置センサ２１による検出値が所望値に達すると、制御器２３ｂは三相コイル３３に対する励磁電流の注入を停止させる。尚、励磁電流の注入停止直前、すなわち浮遊出力環３４の停止直前においては、ｑ軸電流成分ｉｑを徐々にゼロに近づけ、浮遊出力環３４の移動速度を下げていき、ターゲット４４と磁気ユニット４３の接触衝撃を抑制しておくことが望ましい。

電力用開閉装置１００の投入動作は、この遮断動作と同様であり、電力用開閉装置１００には投入指令が入力されると三相コイル３３に交流電流を付与し、可動接点５２と固定接点５３とを接続する遮断動作と逆向きで遮断動作と同様の投入動作を行う。

（投入状態）
リニア電動機３が停止状態にあるときには、可動接点５２が固定接点５３側に接触している間は、開閉機構５の可動接点５２には何らの推力も出力されていない。この電流投入状態では、図７の右半図に示されるように、磁石ユニット４３に対してターゲット４４が接触している。そのため、磁石ユニット４３の磁気吸引力がターゲット４４に強く作用し、ターゲット４４が磁石ユニット４３に固定される。

ターゲット４４が磁石ユニット４３に固定されると、中間ロッド４２と操作ロッド４１の駆動は阻止されるため、可動接点５２も投入位置で維持されることとなる。そのため、リニア電動機３を停止させた状態において可動接点５２に重力等の外力が作用しても、リニア電動機３の運転を継続することなく投入状態を保つことができる。従って、本実施形態による伝達機構４は、機械式に依らず、また投入状態を維持するために電力を必要としない。

尚、磁石ユニット４３に対するターゲット４４の接触には、可動接点５２の位置が維持されるようにターゲット４４が磁石ユニット４３に固定される程度に磁気吸引力が作用している状態を指し、すなわち厳密に接触していないが、極近接している状態も含まれる。

（３．効果）
以上のように、電力用開閉装置１００の可動接点５２を往復駆動することで、開閉装置を遮断状態と投入状態との間で相互に移行させるためのリニア電動機３において、本実施形態では、外側永久磁石３１の列及び内側永久磁石３２の列と、三相コイル３３が巻装された浮遊出力環３４を備えるようにした。

浮遊出力環３４は、可動接点５２に直接又は間接的に繋がる以外は他部材との機械的な拘束関係を有しない。その代わり、三相コイル３３に交流の励磁電流を注入するＰＷＭインバータ２３ａを制御する制御器２３ｂは、励磁電流のｄ軸電流成分を制御することで、磁気による浮遊出力環３４に対する支持力を発生させて、二重円筒３５と浮遊出力環３４の中心軸を一致させる。そのため、リニア電動機３は浮遊出力環３４の機械的なガイドを一切持たず、高いメンテナンス性を実現できる。

また、外側永久磁石３１の列は、円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において最大でも９０度ずつ回転するよう当該永久磁石３１を隣接させて構成した。内側永久磁石３２の列は、円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極が外側永久磁石３１の列と同じ向きの磁化ベクトル半径方向成分を有するとともに外側永久磁石３１の列と逆向きの磁化ベクトル軸方向成分を有する。そして、これら外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列をそれぞれの磁極の磁化ベクトル半径方向成分が同じ向きとなるように対向させて固定した。

これにより、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列により発生する磁気回路と励磁された三相コイル３３の作用により可動接点５２を往復駆動させるための推力を発生させる。このとき、外側永久磁石３１の列の外側面と内側永久磁石３２の列の内側面から出る磁束はほとんどなく、外側永久磁石３１の列の外側面と内側永久磁石３２の列の内側面の間でほとんどの磁束が磁気回路を構成する。そのため、バックヨークを必要としない。

加えて、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列は略等しい磁化エネルギーを保持しており、これにより、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列との空隙中には半径方向の磁束が極めて多く分布するようになる。さらに、三相コイル３３が半径方向の磁束が極めて多く分布する空隙中に配置されるので磁束の大部分が三相コイル３３と直角に鎖交し、より少ない電流で大きな推力が発生する。このため、高速化が可能である。

また、リニア電動機３が運転状態にあるとき、鉄心やヨークが外側永久磁石３１の列及び内側永久磁石３２の列の作る主磁束内や三相コイル３３近傍に存在しないため、三相コイル３３の自己インダクタンスが小さくなる。従って、浮遊出力環３４が高速で運動しても所定の励磁電流を三相コイル３３に通電するのに必要な電圧が低減される。

また、浮遊出力環３４に鉄心やヨークが不要なため、軽量化が実現できるとともに三相コイル３３の大部分が外側永久磁石３１及び内側永久磁石３２の列の作る主磁束に鎖交するため、推力／重量比が向上する。このため、応答性能も向上する。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態に係る電力用開閉装置において、リニア電動機３を軸方向から見た概略外観図である。尚、本実施形態では、二重円筒３５が有する両端の円板３５ａの構成を除き、第１の実施形態と構成上の相違はないため、他の部分の説明は省略する。

図１０に示すように、第２の実施形態において、浮遊出力環３４が貫通する開口部３５ｂには、内縁に沿って低摩擦樹脂材３５ｃが付設されている。低摩擦樹脂材３５ｃは、例えばフッ素樹脂である。低摩擦樹脂材３５ｃの厚みは、開口部３５ｂと当該開口部３５ｂを貫通する浮遊出力環３４の円弧板３４ａ、３４ｂとは接触しないように一定のクリアランスを有しているが、このクリアランスを潰さずに、空隙の存在を維持できる程度である。

この低摩擦樹脂材３５ｃは、浮遊出力環３４と二重円筒３５の円板３５ａとの直接接触を防止し、運転時の予期せぬ接触があっても浮遊出力環３４に対する摺動摩擦を低く抑える作用を有する。

そのため、浮遊出力環３４の中心軸と二重円筒３５の中心軸とがずれてしまうような、予期せぬ過大な力が浮遊出力環３４に作用し、浮遊出力環３４と二重円筒３５の円板３５ａとが接触してしまった場合であっても、その摺動摩擦は低減され、リニア電動機３が破損し難くなる。従って、高いメンテナンス性を持つとともに、運転停止時、非常時においても安定した運用が可能となる。

（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態に係る電力用開閉装置において、浮遊出力環３４の表面を示す概略外観図である。尚、本実施形態では、浮遊出力環３４の表面構成を除き、第１又は第２の実施形態と構成上の相違はないため、他の部分の説明は省略する。

図１１に示すように、第３の実施形態においては、浮遊出力環３４の表面に低摩擦樹脂材３５ｃが付設されている。低摩擦樹脂材３５ｃは、二重円筒３５の円板３５ａと接触の虞のある範囲に付設しておく。低摩擦樹脂材３５ｃの厚みは、浮遊出力環３４と二重円筒３５や円板３５ａとは接触しないように一定のクリアランスを有しているが、このクリアランスを潰さずに、空隙の存在を維持できる程度である。

この低摩擦樹脂材３５ｃにおいても、浮遊出力環３４と二重円筒３５の円板３５ａや外側パイプ３９の内周面との直接接触を防止し、運転時の予期せぬ接触があっても浮遊出力環３４に対する摺動摩擦を低く抑える作用を有する。そのため、第２の実施形態と同様に、リニア電動機３が破損し難くなり、高いメンテナンス性を持つとともに、運転停止時、非常時においても安定した運用が可能となる。

（第４の実施形態）
第１の実施形態では、二重円筒３５が固定子として機能し、浮遊出力環３４が可動子として機能した。しかしながら、二重円筒３５と浮遊出力環３４とが相対的に移動すれば、軸方向の推力は発生するものであり、図１２及び１３に示すように、二重円筒３５を可動子として機能させ、浮遊出力環３４を固定子として機能させるようにし、二重円筒３５に伝達機構４を接続するようにしてもよい。

図１２は、第４の実施形態に係る電力用開閉装置を示す内部構成図である。図１２に示すように、浮遊出力環３４の円弧板３４ａ及び３４ｂは、地上等のフロアに固設されたカバーに移動不能に固定されている。一例としては、円弧板３４ａ及び３４ｂを繋ぐ円板３４ｃがカバーの内周面から突出する支持部材に固定されている。一方、二重円筒３５はカバーとの構造上の固定関係はない。

また、図１３は、第４の実施形態に係るリニア電動機３の外観を示す斜視図である。図１３に示すように、二重円筒３５は、円板３５ａに筒の外側に向かって立設された第２のロッド４６に固定されている。この第２のロッド４６は、伝達機構４の中間ロッド４２に接続されている。尚、この第２のロッド４６と浮遊出力環３４の円板３４ｃとの物理的な障害を防ぐために、円板３４ｃには、第２のロッド４６が遊貫される開口３４ｄが形成されている。

本実施形態は、絶対座標として考えたときに、第１の実施形態と移動する可動子が逆であるだけで、軸移動機構及び作用、磁気反発による半径方向の位置及び姿勢の保持機構及び作用は、第１の実施形態と同一である。従って、本実施形態においても、リニア電動機３は機械的なガイドを一切持たないため、高いメンテナンス性を実現できる。

（その他の実施の形態）
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、第１乃至第４の実施形態を全て又はいずれかを組み合わせたものも包含される。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 操作機構
２ 駆動装置
２１ 位置センサ
２１ａ リニアスケール
２１ｂ 光学式ピックアップ
２２ 母線
２３ 電力変換器
２３ａ ＰＷＭインバータ
２３ｂ 制御器
２４ 電源電力変換器
２４ａ インバータ
２４ｂ 回生受電制御器
２５ 平滑コンデンサ
２６ 蓄電装置
２６ａ バッテリー
２６ｂ 抵抗器
２６ｃ ダイオード
２７ Ｕ相電流センサ
２８ Ｗ相電流センサ
３ リニア電動機
３１ 外側永久磁石
３２ 内側永久磁石
３３ 三相コイル
３３ａ 供給線
３４ 浮遊出力環
３４ａ 円弧板
３４ｂ 円弧板
３４ｃ 円板
３４ｄ 開口
３５ 二重円筒
３５ａ 円板
３５ｂ 開口部
３５ｃ 低摩擦樹脂材
３７ 接続部材
３８ 内側パイプ
３９ 外側パイプ
４ 伝達機構
４１ 操作ロッド
４２ 中間ロッド
４３ 磁気ユニット
４３ａ ヨーク
４３ｂ 永久磁石
４４ ターゲット
４５ フレーム
４６ 第２のロッド
５ 開閉機構
５１ 密閉空間
５２ 可動接点
５３ 固定接点
６１ ３相／２相変換器
６２ 推力制御器
６３ 支持力制御器
６４ ２相／３相変換器
１００ 電力用開閉装置
２００ 電源

Claims (5)

1. 電力用開閉装置の可動接点を往復駆動することで、当該電力用開閉装置を遮断状態と投入状態との間で相互に移行させるための操作機構であって、
   円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において最大でも９０度ずつ回転するよう当該永久磁石を隣接させて構成される第一の永久磁石の列と、
   円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において最大でも９０度ずつ回転するよう当該永久磁石を隣接させて構成される第二の永久磁石の列と、
   磁化ベクトル半径方向成分が同じ向きの前記第一の永久磁石と前記第二の永久磁石とを対向させ、両列が一定距離を保つように固定する二重円筒と、
   導体で構成されるコイルが巻き付けられて、前記第一の永久磁石の列と前記第２の永久磁石の列との間に位置し、前記可動接点に直接又は間接的に繋がる以外は他部材との機械的な拘束関係を有しない浮遊出力環と、
   前記コイルへの励磁電流を生成する励磁手段と、
   を備え、
   前記励磁手段は、
   前記励磁電流の前記コイルの界磁に寄与する電流成分を制御することで、磁気による前記浮遊出力環に対する支持力を発生させて、前記二重円筒と前記浮遊出力環の中心軸を一致させる支持力制御手段と、
   前記励磁電流の前記コイルの推力に寄与する電流成分を制御することで、前記二重円筒と前記浮遊出力環との間の軸方向推力を発生させる推力制御手段と、
   を備えること、
   を特徴とする電力用開閉装置の操作機構。
2. 前記二重円筒は、
   端面に当該二重円筒の各筒を連結して各筒の距離を固定する円板と、
   前記円板に設けられ、前記浮遊出力環が貫通する開口部と、
   前記開口部の縁に設けられ、前記浮遊出力環に対する低摩擦樹脂部と、
   を備えること、
   を特徴とする請求項１記載の電力用開閉装置の操作機構。
3. 前記二重円筒は、
   端面に当該二重円筒の各筒を連結して各筒の距離を固定する円板と、
   前記円板に設けられ、前記浮遊出力環が貫通する開口部と、
   を備え、
   前記浮遊出力環は、
   前記開口部を通過する周面領域に低摩擦樹脂部を備えること、
   を特徴とする請求項１記載の電力用開閉装置の操作機構。
4. 前記二重円筒は、
   更に、磁化ベクトル軸方向成分が逆向きの前記第一の永久磁石と第二の永久磁石とを対向させること、
   を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電力用開閉装置の操作機構。
5. 往復運動可能な可動接点と、前記可動接点を駆動する操作機構とを有し、前記可動接点の移動によって遮断状態と投入状態との間で相互に移動し得る開閉装置であって、
   前記操作機構は、
   請求項１乃至４の何れかに記載の操作機構であること、
   を特徴とする電力用開閉装置。

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