JP6198449B2 - 電磁石装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば遮断器等の開閉装置の操作機構に利用される電磁石装置に関するものである。

従来の開閉装置に用いる電磁石装置において、永久磁石は固定鉄心と固定枠に設けられた空間に配置され，永久磁石の両方の極は固定鉄心に対向し，極以外の面の移動は固定枠で固定されている。固定枠は固定鉄心とボルトで固定されているため，固定枠は移動することがない。したがって，永久磁石および固定枠および固定鉄心は相対的に移動することがない。（例えば、特許文献１参照）

特許第５０３０９２３号公報

上述した従来の開閉装置に用いる電磁石装置にあっては、固定鉄心の磁気経路中に永久磁石を配置できる構造にのみ採用できる。永久磁石の磁気による吸引力を発生するときに、一方の磁極面を可動鉄心に対向させる場合には採用できないという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、永久磁石の一方の磁極面を可動鉄心に対向させることができるとともに磁性体片と永久磁石を覆う非磁性体からなるホルダの破断を防止できる電磁石装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係わる電磁石装置は、複数の磁性体の板を積層して構成された固定鉄心と、複数の磁性体の板を積層して構成され前記固定鉄心内を進退移動する可動鉄心と、前記固定鉄心に設けられた電磁コイルと、前記可動鉄心の中央部に配置される駆動軸を有する電磁石装置において、前記固定鉄心の永久磁石固定部に間隔を置いて設けられた突起部と、前記突起部間で前記固定鉄心の前記可動鉄心と相対向する面に配置され、一方の極が前記可動鉄心と相対向し他方が前記固定鉄心に接する永久磁石と、前記永久磁石の前記可動鉄心と相対向する極に配置された磁性体片と、前記磁性体片と前記永久磁石を覆って前記固定鉄心に固定され、前記磁性体片と前記永久磁石の前記電磁コイルの軸部と対向する面は開口された非磁性体からなるホルダとを備えたものである。

この発明に係わる電磁石装置によれば、永久磁石の一方の磁極面を可動鉄心に対向させることができ、磁性体片と永久磁石を覆う非磁性体からなるホルダの破断を防止できる電磁石装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係わる電磁石装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる電磁石装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる電磁石装置を示す図２のＡ−Ａ線における断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる電磁石装置における磁束を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１〜図４に基づいて説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係わる電磁石装置を示す断面図である。図２はこの発明の実施の形態１に係わる電磁石装置を示す断面図である。図３はこの発明の実施の形態１に係わる電磁石装置を示す図２のＡ−Ａ線における断面図である。図４はこの発明の実施の形態１に係わる電磁石装置における磁束を示す断面図である。

これら各図において、固定接点１と可動接点２を有する開閉装置本体である真空バルブ３と、真空バルブ３の可動接点２を固定接点１に接離する方向へ変位させる電磁石装置４と、真空バルブ３と電磁石装置４とを連結する連結装置５と、可動接点２を固定接点１から離れる方向へ付勢する付勢体である開極バネ６とにより開閉装置が構成されている。

開閉装置本体である真空バルブ３は、絶縁容器３ａ内に固定接点１と可動接点２が収容され、可動接点２に固着された可動電極棒３ｂの一端が絶縁容器３ａから外部に導出され、連結装置５を介して電磁石装置４の可動側に連結されている。これにより、可動接点２が真空バルブ３の軸線方向へ移動し変位する。可動接点２が固定接点１に接することにより閉極となり、離れることにより開極となる。真空バルブ３内は、固定接点１、可動接点２間の消弧能力の向上のために真空に保たれている。なお、固定接点１には固定電極棒３ｃが固着されている。

電磁石装置４は、複数の磁性体の板を積層して構成された固定鉄心７と、複数の磁性体の板を積層して構成され固定鉄心７内を進退移動するよう配置された可動鉄心８と、可動鉄心８の中央部を貫通し設けられ可動鉄心８に固定された駆動軸９と、固定鉄心７に設けられ、通電により磁界を発生する電磁コイル１０と、固定鉄心７側に設けられた永久磁石１１と、固定鉄心７を固定する支柱１２と、支柱１２の両端に配置した開極側プレート１３及び閉極側プレート１４とから構成されている。可動鉄心８は、固定鉄心７に対して駆動軸９の軸線方向（以下、単に軸線方向と称す）Ｐへ駆動されて変位可能となっている。

更に、駆動軸９が開極側プレート１３及び閉極側プレート１４を貫通する部分には、駆動軸９の軸受１５ａ、１５ｂが、それぞれ固定されている。

また、開極側プレート１３より外側に突出した駆動軸９の他方側９ｂには、開極バネ受け１６が固着されており、開極側プレート１３と開極バネ受け１６との間の駆動軸９の軸部に、付勢体である開極バネ６が挿入されている。開極バネ６は、例えば圧縮されたコイルバネであり、開極側プレート１３と開極バネ受け１６との間で軸線方向Ｐに弾性反発力を発生している。

次に、電磁石装置４の構成を更に詳しく説明する。固定鉄心７及び可動鉄心８は、それぞれ複数の磁性体の薄板を積層して構成されている。固定鉄心７の形状は、軸線方向に対して直交方向に延びる横鉄心部７ａと、横鉄心部７ａの両端部から軸線方向に延びる縦鉄心部７ｂと、縦鉄心部７ｂから軸線に向かって延びる永久磁石固定部７ｃとを有している。固定鉄心７の縦鉄心部７ｂは、その板面の両側、すなわち積層方向の両面から支柱１２で挟まれて支柱１２に締め付けて固定されている。

一方、可動鉄心８は、軸線方向に沿って配置された基幹部８ａと、基幹部８ａの側面から軸線方向と直交する方向へ向けて互いに反対方向へ突出する一対の分岐部８ｂとを有している。固定鉄心７及び可動鉄心８は積層方向へ通された複数のボルト１８と、各ボルト１８に螺合されたナット（図示せず）とによって締結されることにより一体となっている。そして、固定鉄心７から離れて開極側プレート１３に接した後退位置と、固定鉄心７に当接した前進位置との間を変位可能になっている。

なお、固定鉄心７、可動鉄心８の材料としては、透磁率の高い磁性材料であればよく、例えば鋼材、電磁軟鉄、珪素鋼、フェライト及びパーマロイ等が挙げられる。

また、駆動軸９の材料としては、透磁率の低い材料（低磁性材料）、例えばステンレス等が用いられている。

永久磁石１１は、固定鉄心７の永久磁石固定部７ｃに、可動鉄心８の分岐部８ｂの閉極側の面に対向するように配置されている。そして、永久磁石１１は、Ｎ極及びＳ極（一対の磁極）を有しており、一方の磁極は永久磁石固定部７ｃに対向しており、他方の磁極は可動鉄心８の分岐部８ｂの閉極側に対向している。

この永久磁石１１は、可動鉄心８を前進位置に保持する保持用磁束を発生するものである。例えば，永久磁石１１の一方の極から出た磁束が可動鉄心８、固定鉄心７を経由して永久磁石１１の他方の極に入ることで、可動鉄心８と固定鉄心７を吸引保持する力を発生させている。永久磁石１１の固定については、図２および図３に基づいて後述する。

また、電磁コイル１０は、可動鉄心８の基幹部８ａと固定鉄心７の縦鉄心部７ｂとの間を通るように配置されている。この実施の形態の例では、電磁コイル１０は、軸線方向への投影面内において、可動鉄心８の基幹部８ａを囲んでいる。これにより、電磁コイル１０は、通電されると、固定鉄心７及び可動鉄心８を通る磁束を発生する。また、電磁コイル１０が発生する磁束の方向は、電磁コイル１０への通電方向の切替えで反転可能になっている。

次に、電磁石装置４と開閉装置本体である真空バルブ３との連結部を説明する。電磁石装置４は、板状の支持部材１９に取付支柱２０を介して支持されている。通常、真空バルブ３は、周辺部の絶縁耐圧を確保するための絶縁ガス（例えばＳＦ６ガス、ドライエアなど）を封じた容器（図示せず）に収容されている。このため、上記の支持部材１９は、例えば、その容器の蓋体であり、この蓋体からなる支持部材１９に取付支柱２０を立設し、取付支柱２０に電磁石装置４の閉極側プレート１４がボルト締め等で固定されている。但し、支持部材１９はこれに限定するものではなく、例えば配電盤の支持板であっても良い。

真空バルブ３の可動接点２に固定された可動電極棒３ｂと電磁石装置４の駆動軸９の一方側９ａとを連結する連結装置５は、可動電極棒３ｂに連結された絶縁ロッド２１と、その絶縁ロッド２１と駆動軸９の一方側９ａとの間に介在させた接圧装置２２と、絶縁ロッド２１の連結棒２３部分が支持部材１９を貫通する部分おいて、ガス容器の一部である支持部材１９に対して連結棒２３部分が気密を保って移動可能なように、連結棒２３部分と支持部材１９を繋いで設けられたベローズ２４とを有している。なお、ベローズ２４は、支持部材１９の構成によっては、不要の場合もある。

接圧装置２２は、連結棒２３部分の端部に固定されたバネ枠２５と、駆動軸９の一方側９ａに固定され、バネ枠２５内に配置された外れ止め板２６と、バネ枠２５と外れ止め板２６との間に圧縮した状態で挿入された接圧バネ２７とを有している。接圧バネ２７は、駆動軸９を絶縁ロッド２１から離れる方向へ付勢している。駆動軸９は、外れ止め板２６と共に、軸線方向へ変位可能になっており、その変位は、外れ止め板２６のバネ枠２５に対する係合により規制されている。

図１では、電磁石装置４の軸線と、真空バルブ３の軸線とを一直線に合わせたものを示しているが、連結装置５部にレバー等を介在させて方向を変換した構成であっても良い。

次に、開閉装置の動作について説明する。可動接点２が固定接点１から離れた開極状態にあるときは、可動鉄心８は開極バネ６の付勢力で後退位置にある。電磁コイル１０へ通電されると、可動鉄心８が固定鉄心７に吸引され、開極バネ６の荷重に逆らって、後退位置から前進位置に向かって変位する。これにより、可動接点２は、固定接点１に向かって移動する。

この後、可動接点２が固定接点１に接すると、可動接点２の移動は停止する。しかし、可動鉄心８はさらに変位して基幹部８ａが固定鉄心７の横鉄心部７ａに当接し、前進位置に達する。これにより、接圧バネ２７が縮められ、可動接点２が固定接点１に所定の押圧力で押し付けられて閉極動作が完了する。

可動鉄心８が前進位置に達すると、永久磁石１１の保持用磁束によって可動鉄心８が吸引保持されて前進位置が保持される。

可動鉄心８の前進位置の保持を解除するときには、閉極動作時と逆方向へ電磁コイル１０への通電が行われる。これにより可動鉄心８と固定鉄心７の間の吸引力が低下し、開極バネ６及び接圧バネ２７の各荷重によって、可動鉄心８は後退位置へ移動する。変位の初期段階では、可動接点２は、固定接点１に押し付けられたままとなっている。

この後、可動鉄心８の後退位置に向かう変位が進むと、外れ止め板２６がバネ枠２５に係合される。これにより、可動接点２は固定接点１から離れる方向に変位する。可動鉄心８が更に変位して開極側プレート１３に当接して密着し、後退位置（図１の状態）に達すると開極動作が完了する。

次に、この発明の実施の形態１の開閉装置における電磁石装置の永久磁石１１部の固定について図２および図３に基づいて説明する。図２の紙面に対して水平方向の移動について、永久磁石１１は固定枠１０３を介して電磁石装置４の固定鉄心７の永久磁石固定部７ｃに設けた突起部７ｃ１，７ｃ２によって移動を制限されており、固定されている。

また、永久磁石１１の可動鉄心８に対向する一方の極の面に配置した磁性体片１０１は、固定枠１０３に固定されている。図２の紙面に対して下方向は固定鉄心７の永久磁石固定部７ｃによって移動を制限されていることは明らかである。図２の紙面に対して上方向はホルダ１０２によって固定されている。

ホルダ１０２の取り付けについては図３に基づいて説明する。図３は図２におけるＡ−Ａ線における断面図であり、ホルダ１０２は永久磁石１１の図３の紙面から上方向（可動鉄心８に対向する一方の極の面を磁性体片１０１も併せて）を覆い、固定鉄心７の積層の両端側に折り曲げられて、固定鉄心７の両端の板に面し、固定鉄心７とともにボルト３０とナット３１で固定されている。ホルダ１０２は、電磁コイル１０の軸部に向かう方向は開口しており、永久磁石１１と磁性体片１０１が電磁コイル１０の軸部と対向している面とは接していない。

ホルダ１０２の材質は非磁性材料を適用する。ホルダ１０２を磁性体で構成した場合、例えば、永久磁石１１の可動鉄心８と対向する一方の極から出た磁束が、ホルダ１０２・固定鉄心７を経由し、永久磁石１１の固定鉄心７と接した極に入ることになる。永久磁石１１の磁束が可動鉄心８を通過しない磁束がホルダ１０２が磁性体の場合に増大するため、可動鉄心８と固定鉄心７を吸引保持する力が減少するためである。したがって、永久磁石１１と可動鉄心８の間に非磁性のホルダ１０２が配置されるため、ホルダ１０２は、永久磁石１１と可動鉄心８の非磁性の領域を減少させるために、できる限り薄い材料とすることが望ましい。

磁性体片１０１は鋼板などの磁性体材料で構成されており、可動鉄心８と永久磁石１１の可動鉄心８と対向する一方の極の間に配置され、前進位置において、可動鉄心８と永久磁石１１の間の空隙を磁性体片１０１で調整することで、電磁石装置４の吸引力を調整している。これは、可動鉄心８と永久磁石１１の間において、非磁性の領域が小さければ、可動鉄心８と固定鉄心７の間で発生する吸引保持力が上昇するためである。

この磁性体片１０１には、電磁石装置４の電磁コイル１０に通電したときに力が作用する。電磁石装置４の電磁コイル１０に通電したときの磁束分布の概念を図４に示す。電磁コイル１０の軸部に近いほうが磁束線の密度が高く、遠い方が磁束線の密度が低い。磁性体片１０１には磁束分布によって、磁束線の密度が高い方へ移動しようとする力が作用する。電磁コイル１０の軸部に向かう方向に力が作用することになる。この移動方向には固定枠１０３があるために磁性体片１０１は移動せず、保持できる。

上記のような構成とすることで、できるだけ薄く製作する必要のあるホルダ１０２は、磁性体片１０１の電磁コイル１０の軸部に向かう方向への移動に対して固定していないため、ホルダ１０２に荷重が作用しない。固定枠１０３で固定できる。

例えば、ホルダ１０２では、ホルダ１０２が薄いため固定できない。また、ホルダ１０２の一部が、磁性体片１０１の電磁コイル１０の軸部と対向する面に接していた場合、電磁石装置４の動作のたびに、磁性体片１０１が電磁コイル１０の軸方向に移動しようとして微小に移動し、動作完了後に固定枠１０３によってもとの位置に戻されるといったような繰り返し荷重がホルダ１０２の磁性体片１０１の電磁コイル１０の軸部と対向する面に接している部分に作用するため、金属疲労によって破断することになる。しかしながら，その発明の実施形態では、当該部分にホルダ１０２は接していないため、破断は発生しないという効果がある。

また、図４で示すとおり、可動鉄心８がＴ字型であり、電磁コイル１０の軸部に可動鉄心８の基幹部８ａが入ることで、磁性体片１０１の磁束Ｇの分布が電磁コイル１０の軸部に近い方が密度が高く、電磁コイル１０の軸部に遠い方が密度が低いという分布の差が大きくなるため、この発明の実施形態の可動鉄心８の時に、この発明の実施形態が有効であるということは明らかである。

また、図３に示すとおり、固定鉄心７の積層方向が駆動軸９を含む平面に対して垂直な方向で、積層を貫通して固定するボルト３０の方向が、駆動軸９を含む平面に対して垂直な方向であれば、ホルダ１０２は単純な形状の折り曲げだけで、永久磁石１１・磁性体片１０１の電磁コイル１０の軸部と対向する面にホルダ１０２を接する必要が無いため、単純な構造のホルダ１０２で紙面の上方向に対する磁性体片１０１と永久磁石１１の移動を固定できる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は、永久磁石の一方の磁極面を可動鉄心に対向させることができ、磁性体片と永久磁石を覆う非磁性体からなるホルダの破断を防止できる電磁石装置の実現に好適である。

４ 電磁石装置、７ 固定鉄心、８ 可動鉄心、８ａ 基幹部、８ｂ 分岐部、９ 駆動軸、１０ 電磁コイル、１１ 永久磁石、１２ 支柱、１３ 開極側プレート、１４ 閉極側プレート、１０１ 磁性体片、１０２ ホルダ、１０３ 固定枠。

Claims (5)

1. 複数の磁性体の板を積層して構成された固定鉄心と、複数の磁性体の板を積層して構成され前記固定鉄心内を進退移動する可動鉄心と、前記固定鉄心に設けられた電磁コイルと、前記可動鉄心の中央部に配置される駆動軸を有する電磁石装置において、前記固定鉄心の永久磁石固定部に間隔を置いて設けられた突起部と、前記突起部間で前記固定鉄心の前記可動鉄心と相対向する面に配置され、一方の極が前記可動鉄心と相対向し他方が前記固定鉄心に接する永久磁石と、前記永久磁石の前記可動鉄心と相対向する極に配置された磁性体片と、前記磁性体片と前記永久磁石を覆って前記固定鉄心に固定され、前記磁性体片と前記永久磁石の前記電磁コイルの軸部と対向する面は開口された非磁性体からなるホルダとを備えたことを特徴とする電磁石装置。
2. 前記ホルダは、前記固定鉄心の積層間を貫通するとともに前記固定鉄心を固定する固定部材により前記固定鉄心に固定されたことを特徴とする請求項１に記載の電磁石装置。
3. 前記永久磁石の極でない面と前記磁性体片の周囲を囲む固定枠を配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁石装置。
4. 前記可動鉄心は、軸線方向に沿って配置された基幹部と、前記基幹部の側面から軸線方向と直交する方向へ向けて互いに反対方向へ突出する一対の分岐部とを有るＴ字型で構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電磁石装置。
5. 前記固定鉄心の両側に前記駆動軸の軸線方向に並行に設けられて前記固定鉄心を支持する支柱と、前記支柱の長手方向の前記可動鉄心側の一端部に設けられ、前記駆動軸が貫通支持された開極側プレートと、前記支柱の長手方向の他端部に設けられ、前記駆動軸が貫通支持された閉極側プレートとを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電磁石装置。