JP6768174B1 - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

電磁アクチュエータ（１００Ａ）が、筒状のコイル（１）と、遮断器で使用される接点の開極状態の初期位置から接点の閉極状態の位置までコイル（１）の中心軸方向に可動自在な可動鉄心（２）と、可動鉄心（２）とともに移動するシャフト（６）と、可動鉄心（２）に対してコイル（１）の中心軸方向に対向する固定鉄心（３）と、コイル（１）、可動鉄心（２）、および固定鉄心（３）を囲うヨーク（４）と、を備え、ヨーク（４）は、ヨーク（４）の内壁面からヨーク（４）の内側に突出し、可動鉄心（２）から固定鉄心（３）に向かう方向に延設された突出部（５Ａ）を有し、突出部（５Ａ）は、固定鉄心（３）に対向する細突起部（５ｂ）を有し、可動鉄心（２）は、固定鉄心（３）に対向する吸着面（２ａ）を有し、初期位置において、細突起部（５ｂ）の先端面（５ｃ）は吸着面（２ａ）よりも固定鉄心（３）が配置されている方向に突出している。

Description

本発明は、電路を遮断することが可能な遮断器等に用いられる電磁アクチュエータに関する。

電磁アクチュエータにより接点の開閉を行う遮断器においては、電磁アクチュエータの吸引力特性と、この吸引力とは反対方向に働く負荷の負荷特性とは異なる。負荷が、ばねを用いて構成されている場合、負荷特性は、主にばねによって決まり、可動鉄心のストロークの１乗に概ね比例した特性である。一方、可動鉄心に働く電磁力、すなわち吸引力の特性は、電磁石の特性上、磁気回路のギャップである磁気空隙の２乗に反比例した特性となる。遮断器の接点を投入するためには、吸引力が負荷力を上回る必要がある。

電磁アクチュエータは、接点の投入時には開極位置から閉極位置へ可動鉄心が移動する。可動鉄心の開極位置から閉極位置への移動における可動鉄心のストローク初期に比べ、可動鉄心のストローク終盤では、非常に大きな吸引力となり負荷力を大きく上回るので、閉極位置付近では余剰の投入力が生じて可動鉄心の速度が高くなる。この可動鉄心の運動エネルギーは、閉極時に衝撃荷重となり、遮断器の操作機構全体、操作機構を支える構造物等に負荷を与える。遮断器を長寿命にするためには、衝撃荷重に耐えるため操作機構および構造物全体を大きくする必要があるので、遮断器が重くなってしまう。遮断器を軽くするためには、電磁アクチュエータに対し、遮断器への投入速度の低減が求められる。

特許文献１の電磁アクチュエータは、固定鉄心の外側に突起部を設け、可動鉄心のストローク初期においては可動鉄心に働く吸引力を高め、ストローク終盤においては可動鉄心を通る磁束の一部が突起部に流れるようにすることで磁束を駆動方向および垂直方向に流している。この結果、特許文献１の電磁アクチュエータは、ストローク終盤での吸引力が低減し、余剰の吸引力が低減される。これにより、特許文献１の電磁アクチュエータは、遮断器の接点の投入速度を低減し、接点投入時に接点に加わる衝撃の低減を図っている。

特開２０１４−１９１９５６号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、閉極保持状態においても可動鉄心を通る磁束の一部が突起部に流れるので、閉極保持状態における吸引力、すなわち保持力の低下を招いている。このため、上記特許文献１の技術では、接点投入時の投入速度の低減と、閉極保持状態における保持力の維持とを両立することはできなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、接点投入時の投入速度の低減と、閉極保持状態における保持力の維持とを両立することができる電磁アクチュエータを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の電磁アクチュエータは、筒状のコイルと、遮断器で使用される接点の開極状態の初期位置から接点の閉極状態の位置までコイルの中心軸方向に可動自在な可動鉄心と、可動鉄心とともに移動するシャフトと、可動鉄心に対してコイルの中心軸方向に対向する固定鉄心と、コイル、可動鉄心、および固定鉄心を囲うヨークと、を備える。ヨークは、ヨークの内壁面からヨークの内側に突出し、可動鉄心から固定鉄心に向かう方向に延設された突出部を有し、突出部は、固定鉄心に対向する第１の先端部を有し、可動鉄心は、固定鉄心に対向する第２の先端部を有している。初期位置において、第１の先端部の先端面は第２の先端部の先端面よりも固定鉄心が配置されている方向に突出している。可動鉄心の内側には、接点に接圧力を印加する接圧ばねが配置され、固定鉄心の内側には、接点を引き離す方向に力を印加する復帰ばねが配置されている。シャフトと可動鉄心とは接圧ばねによって連結され、シャフトと固定鉄心とは復帰ばねによって連結されている。

本発明にかかる電磁アクチュエータは、接点投入時の投入速度の低減と、閉極保持状態における保持力の維持とを両立することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる電磁アクチュエータを備えた遮断器の接点の開極状態を示す図 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータを備えた遮断器の接点の閉極状態を示す図 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの初期状態を示す図 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの閉極状態を示す図 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータのコイルに通電することで励磁される磁気回路を示す図 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータにおける磁束の流れを示す図 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの可動鉄心の初期位置における磁束の状態を示す図 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの可動鉄心の閉極状態における磁束の状態を示す図 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの磁気回路の概念を示す図 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータにおけるストロークと吸引力との関係を示す図 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの断面斜視図 図１１に示す突出部の斜視図 実施の形態２にかかる電磁アクチュエータの断面斜視図 図１３に示す突出部の斜視図 実施の形態３にかかる電磁アクチュエータの断面斜視図 図１５に示す突出部の斜視図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電磁アクチュエータを図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータを備えた遮断器の接点の開極状態を示す図である。図２は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータを備えた遮断器の接点の閉極状態を示す図である。図１および図２では、筒形状の筐体を有した消弧室１０８の筒の軸方向である筒軸方向（Ｘ方向）、および電磁アクチュエータ１００Ａが備える移動可能なシャフト６の軸方向（Ｚ方向）を含んだＸＺ平面で遮断器２００を切断した場合の遮断器２００の断面図を示している。本実施の形態では、プラスＸ方向が鉛直上向きであり、マイナスＸ方向が鉛直下向きである場合について説明する。

遮断器２００は、電磁アクチュエータ１００Ａのコイルに小さな電流を常時通電することによって閉極状態を保持する常励保持方式の遮断器である。図１および図２に示すように、遮断器２００は、シャフト６を有した電磁アクチュエータ１００Ａと、下部導体１０１と、上部導体１０２と、可撓シャント１０６と、可撓シャント１０６によって可動自在な可動導体１０３と、可動側接点１０４と、固定側接点１０５と、開極ばね１０７と、消弧室１０８とを備えている。

下部導体１０１、上部導体１０２、可撓シャント１０６、可動導体１０３、可動側接点１０４、固定側接点１０５、電磁アクチュエータ１００Ａ、および開極ばね１０７は、消弧室１０８の下部側であるマイナスＸ方向に配置されている。

可撓シャント１０６、可動導体１０３、可動側接点１０４、および固定側接点１０５は、導体で構成されている。

上部導体１０２は、棒状部材であり、棒状部材の側面が消弧室１０８に接合されている。１組の接点の一方である固定側接点１０５は、上部導体１０２の一方の端部（可動側接点１０４側の端部）に接合されている。可撓シャント１０６は、可動導体１０３および下部導体１０１を連結している。

消弧室１０８は、開極動作時において、可動側接点１０４が固定側接点１０５から離れる際に生じるアーク放電を消弧する。

シャフト６は、電磁アクチュエータ１００Ａの中心を通るよう配置されている。可動導体１０３は、シャフト６を介して電磁アクチュエータ１００Ａに接続されており、電磁アクチュエータ１００Ａによる駆動によって、シャフト６の軸方向である軸Ｚ１の方向に移動可能となっている。

１組の接点の他方である可動側接点１０４は、固定側接点１０５に対向する位置で可動導体１０３に接合されている。可動側接点１０４は、可動導体１０３が上部導体１０２に向かって移動することにより、固定側接点１０５に接続される。可動側接点１０４は、可動導体１０３が上部導体１０２から離れる方向に移動することによって、固定側接点１０５への接続が解消される。可動側接点１０４と固定側接点１０５とが接続された状態が、接点の閉極状態であり、可動側接点１０４と固定側接点１０５とが離された状態が、接点の開極状態である。

開極ばね１０７は、電磁アクチュエータ１００Ａと可動導体１０３との間に配置されており、電磁アクチュエータ１００Ａおよび可動導体１０３に連結されている。開極ばね１０７は、縮むことによって接点の開極を行う。すなわち、開極ばね１０７は、縮むことによって可動導体１０３を上部導体１０２から離れる方向に移動させる。これにより、開極ばね１０７は、可動側接点１０４を固定側接点１０５から引き離し、可動側接点１０４を電磁アクチュエータ１００Ａに近付ける。電磁アクチュエータ１００Ａは、接点の閉極を行う際には、開極ばね１０７の縮む方向の力に抗って、接点の投入を行う。

接点の開極動作および閉極動作である接点の開閉は、電磁アクチュエータ１００Ａの動作によって行われる。遮断器２００では、下部導体１０１と上部導体１０２とが、可動側接点１０４および固定側接点１０５を介して通電されることで、接点の閉極状態となる。また、遮断器２００では、下部導体１０１と上部導体１０２との通電が停止されることで、接点の開極状態となる。

次に、電磁アクチュエータ１００Ａの構成について説明する。図３は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの初期状態を示す図である。図４は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの閉極状態を示す図である。図３および図４では、図１および図２と同様に、電磁アクチュエータ１００Ａの断面図を示している。電磁アクチュエータ１００Ａの初期状態は、可動鉄心２が開極状態の初期位置にある状態である。

図３では、図１における電磁アクチュエータ１００Ａの詳細図を示しており、図４では、図２における電磁アクチュエータ１００Ａの詳細図を示している。したがって、図１に示す遮断器２００の状態と図３に示す電磁アクチュエータ１００Ａの状態とが対応し、図２に示す遮断器２００の状態と図４に示す電磁アクチュエータ１００Ａの状態とが対応している。

電磁アクチュエータ１００Ａは、導線の巻かれたコイル１と、コイル１の中心軸方向に沿って可動自在な可動鉄心２と、固定鉄心３と、突出部５Ａを有したヨーク４と、シャフト６と、接圧ばね７と、復帰ばね８とを備えている。ヨーク４は、コイル１を囲うように配置されており、可動鉄心２および固定鉄心３とともに磁気回路を形成する。

ヨーク４は、固定鉄心３側に配置された蓋板である固定側蓋板４ｂと、筒状のヨークパイプ４ａと、可動鉄心２側に配置された蓋板である可動側蓋板４ｃとを有している。固定側蓋板４ｂが第１の磁性体板であり、可動側蓋板４ｃが第２の磁性体板である。固定側蓋板４ｂおよび可動側蓋板４ｃは、ＸＹ平面に平行に配置され、ヨークパイプ４ａは、固定側蓋板４ｂと可動側蓋板４ｃとの間に配置されている。

固定側蓋板４ｂは、固定鉄心３に接続されている。可動側蓋板４ｃは、固定側蓋板４ｂに対向するよう配置されている。ヨークパイプ４ａは、コイル１の側面を囲うとともに固定側蓋板４ｂと可動側蓋板４ｃとを接続する。

コイル１は、ヨーク４の内側に収まるよう配置されている。コイル１は、可動鉄心２、固定鉄心３等を囲むよう筒状をなしている。シャフト６は、Ｚ方向に配置されている。可動鉄心２、固定鉄心３、突出部５Ａ、シャフト６、接圧ばね７、復帰ばね８は、コイル１とシャフト６との間に配置されている。

可動鉄心２および固定鉄心３は、シャフト６を囲む筒形状である。可動鉄心２の筒軸および固定鉄心３の筒軸は、ともに軸Ｚ１と同じである。可動鉄心２は、ＸＹ平面に平行な吸着面２ａを備え、固定鉄心３は、ＸＹ平面に平行な吸着面３ａを備えている。可動鉄心２および固定鉄心３は、吸着面２ａと吸着面３ａとが対向するよう配置されている。吸着面２ａは、吸着面３ａに対向する円環状の面であり、吸着面３ａは、吸着面２ａに対向する円環状の面である。可動鉄心２は、接点の開極状態の初期位置から接点の閉極状態の位置までコイル１の中心軸方向に移動可能となっている。

接圧ばね７は、シャフト６を囲み可動鉄心２に囲まれる筒形状である。復帰ばね８は、シャフト６を囲み固定鉄心３に囲まれる筒形状である。接圧ばね７は、接点に接圧力を印加し、復帰ばね８は、接点を引き離す方向に力を印加する。接圧ばね７は、シャフト６と可動鉄心２とを連結し、復帰ばね８は、シャフト６と固定鉄心３とを連結する。

突出部５Ａは、可動鉄心２を囲みコイル１に囲まれる筒形状である。ヨークパイプ４ａは、第１のパイプであり、突出部５Ａは第２のパイプである。突出部５Ａと可動側蓋板４ｃとは、一体に形成されていてもよいし、別部品で構成されてもよい。

突出部５Ａは、コイル１よりもシャフト６の径方向の内側で、可動側蓋板４ｃから張り出している。具体的には、突出部５Ａは、可動側蓋板４ｃの内壁面から、シャフト６の軸Ｚ１に平行な方向に延びている。換言すると、突出部５Ａは、ヨーク４からヨーク４の内側に突出し、可動鉄心２から固定鉄心３に向かう方向に延びている。突出部５Ａの先端面である先端面５ｃは、可動鉄心２の初期位置において、可動鉄心２の先端面である吸着面２ａよりも固定鉄心３が配置されている方向に突出している。

突出部５Ａは、主突起部５ａと、細突起部５ｂとを有している。細突起部５ｂは、主突起部５ａの固定鉄心３側の先端位置に配置されており、主突起部５ａは、細突起部５ｂよりも可動側蓋板４ｃ側に配置されている。主突起部５ａは、可動側蓋板４ｃの内壁面から固定鉄心３に向かう方向に延設され、細突起部５ｂは、主突起部５ａから固定鉄心３に向かう方向に延設されている。電磁アクチュエータ１００Ａでは、第１の先端部である細突起部５ｂおよび第２の先端部である可動鉄心２の先端面（吸着面２ａ）が、固定鉄心３に対向する位置に配置されている。このように、第１の先端部である細突起部５ｂの先端面５ｃは、第２の先端部である可動鉄心２の先端面（吸着面２ａ）よりも固定鉄心３が配置されている方向に突出している。

主突起部５ａは、可動鉄心２を囲みコイル１に囲まれる筒状をなしており、細突起部５ｂは、コイル１に囲まれる筒状をなしている。すなわち、主突起部５ａの内側には、可動鉄心２が配置されているが、細突起部５ｂの内側には、可動鉄心２が配置されていない。このように、突出部５Ａは、可動鉄心２の初期位置における吸着面２ａよりも吸着面３ａ側に突出する構造を有している。

主突起部５ａの筒軸および細突起部５ｂの筒軸は、ともに軸Ｚ１と同じである。主突起部５ａの内径と細突起部５ｂの内径とは同じ大きさであり、主突起部５ａの外径は細突起部５ｂの外径よりも大きい。電磁アクチュエータ１００Ａでは、主突起部５ａの内壁面が可動鉄心２の外壁面に対向している。

主突起部５ａと細突起部５ｂとは、一体に形成されていてもよいし、別部品で構成されてもよい。主突起部５ａと細突起部５ｂとが別部品で構成される場合、主突起部５ａと細突起部５ｂとが連結されることで突出部５Ａが形成される。主突起部５ａの例は、磁性体のパイプであり、細突起部５ｂの例は、主突起部５ａよりも薄肉の磁性体のパイプである。この場合、細突起部５ｂの外壁面には雄ねじ部を設けておき、主突起部５ａの内壁面には雌ねじ部を設けておき、細突起部５ｂと主突起部５ａとが、ねじ込み式に結合されてもよい。

可動鉄心２、固定鉄心３、ヨーク４、および突出部５Ａは磁性体からなり、シャフト６は非磁性体からなる。可動鉄心２とシャフト６とは、Ｚ方向に伸縮する接圧ばね７を介して接続され、固定鉄心３とシャフト６とは、Ｚ方向に伸縮する復帰ばね８を介して接続されている。

次に、電磁アクチュエータ１００Ａの動作について説明する。コイル１の通電により、可動鉄心２、固定鉄心３、ヨーク４、および突出部５Ａからなる磁気回路が励磁されると、可動鉄心２に磁気吸引力（電磁力）が働き、可動鉄心２は固定鉄心３の方向に駆動される。これにより、シャフト６に連結された可動導体１０３が図１の左方向であるプラスＺ方向に移動する。可動側接点１０４と固定側接点１０５とが接触するとシャフト６は停止し、可動鉄心２はさらにプラスＺ方向に動き、接圧ばね７を圧縮し、接圧ばね７が接点に接圧力を印加する。その後、可動鉄心２の吸着面２ａと固定鉄心３の吸着面３ａとが当接して閉極状態となり、可動鉄心２の駆動が完了する。

コイル１の通電停止により、可動鉄心２、固定鉄心３、ヨーク４、および突出部５Ａからなる磁気回路が消磁されると、可動鉄心２の磁気吸引力（電磁力）が無くなり、可動鉄心２は固定鉄心３が配置されている方向とは反対の方向に駆動される。これにより、シャフト６に連結された可動導体１０３が図１の右方向であるマイナスＺ方向に移動する。このとき、復帰ばね８が延びて可動側接点１０４と固定側接点１０５とが引き離され。可動鉄心２はさらにマイナスＺ方向に動き、復帰ばね８がさらに延びて可動鉄心２が初期位置に戻ると可動鉄心２の駆動が完了する。

ここで、電磁アクチュエータ１００Ａのコイル１に通電することで励磁される磁気回路について説明する。図５は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータのコイルに通電することで励磁される磁気回路を示す図である。

磁気回路は、直流電源Ｅと、スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、コイル１とで構成されている。遮断器２００の投入動作時は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオンにされることで、コイル１に流れる電流は、コイル抵抗ＲｃおよびコイルインダクタンスＬのみで制限される。これにより、電磁アクチュエータ１００Ａの磁気回路に大きな起磁力が発生し、電磁アクチュエータ１００Ａの可動鉄心２が駆動される。

遮断器２００の投入完了後、スイッチＳＷ２がオフにされ、スイッチＳＷ１に直列に接続された保持抵抗Ｒｈを介してコイル１に通電することで、保持状態に移行する。この保持状態において、可動鉄心２は固定鉄心３と当接しており、可動鉄心２と固定鉄心３との間の磁気抵抗は小さい。そのため、磁気回路の磁気抵抗は、可動鉄心２の外周面と、可動側蓋板４ｃおよび突出部５Ａとのギャップによる磁気抵抗が支配的となる。

次に、図６から図１０を用いて、本実施の形態における電磁アクチュエータ１００Ａの動作原理と効果について説明する。図６は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータにおける磁束の流れを示す図である。図７は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの可動鉄心の初期位置における磁束の状態を示す図であり、図８は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの可動鉄心の閉極状態における磁束の状態を示す図である。

図７および図８では、図６において点線枠で示した領域２０を拡大して示している。図６では、固定鉄心３を通る全磁束を全磁束Φ０で示し、可動鉄心２の吸着面２ａを通る磁束を磁束Φ１で示し、細突起部５ｂの先端を通る磁束を磁束Φ２で示している。

可動鉄心２の初期位置では、可動鉄心２のプラスＺ方向の先端部よりも細突起部５ｂのプラスＺ方向の先端面５ｃが固定鉄心３の方向に突出している。図７に示した状態、すなわち可動鉄心２が初期位置にあるとき、細突起部５ｂの先端面５ｃと固定鉄心３が備える吸着面３ａとの間の磁気ギャップｇは、可動鉄心２が備える吸着面２ａと固定鉄心３が備える吸着面３ａとの間の磁気ギャップｓよりも小さい。

このため、磁気回路を流れる全磁束Φ０は、可動鉄心２の吸着面２ａを通る磁束Φ１と、細突起部５ｂを通る磁束Φ２とに分流することになる。これにより、可動鉄心２の吸着面２ａを通る磁束Φ１は、細突起部５ｂが無い場合と比べて磁束Φ２だけ減じられることになり、可動鉄心２に加わる吸引力は減じられる。この際に、細突起部５ｂのＸ方向の幅ｗ（可動鉄心２の移動方向に垂直な第１の方向の壁面幅）は小さいので磁気飽和する。これにより、細突起部５ｂを通る磁束Φ２は細突起部５ｂの幅ｗにより制限され、全磁束Φ０のうち一部が細突起部５ｂを通ることになる。すなわち、細突起部５ｂの幅ｗを適切な値に調整することにより、可動鉄心２に加わる吸引力特性を調整することができる。電磁アクチュエータ１００Ａでは、磁気ギャップｇと磁気ギャップｓとがｇ＜ｓの関係にある限り、可動鉄心２を通る磁束Φ１は減じられ、プラスＺ方向において吸引力を低減する効果がある。

このように、電磁アクチュエータ１００Ａでは、可動鉄心２が駆動される際、可動鉄心２の先端面である吸着面２ａの位置が細突起部５ｂの先端面５ｃを越えるまでは、可動鉄心２と固定鉄心３との間の磁気ギャップｓに比べて細突起部５ｂと固定鉄心３との間の磁気ギャップｇが小さい。このため、磁気回路を流れる磁束の一部は突出部５Ａを通って固定鉄心３に流れ、可動鉄心２を通る磁束が小さくなる。したがって、可動鉄心２の吸着面２ａの位置が細突起部５ｂの先端面５ｃを越えるまでは可動鉄心２に加わる駆動力が低減される。

次に、図８に示した状態、すなわち可動鉄心２の吸着面２ａが細突起部５ｂのプラスＺ方向の先端面５ｃを越えた後は、可動鉄心２が備える吸着面２ａと固定鉄心３が備える吸着面３ａとの間の磁気ギャップｓ（図８では０）は、細突起部５ｂの先端面５ｃと固定鉄心３の吸着面３ａとの間の磁気ギャップｇよりも小さくなり、両者の関係はｇ＞ｓとなる。このとき、細突起部５ｂにはほとんど磁束が分流しなくなる。

すなわち、可動鉄心２の吸着面２ａがプラスＺ方向で細突起部５ｂの先端面５ｃを越えた後は、可動鉄心２と固定鉄心３との間の磁気ギャップｓに比べて細突起部５ｂと固定鉄心３との間の磁気ギャップｇが大きくなるので、磁気回路を流れる磁束のほぼ全てが可動鉄心２を通ることになる。これにより、可動鉄心２の吸着面２ａが細突起部５ｂの先端面５ｃを越えた後は、可動鉄心２に加わる駆動力は、細突起部５ｂが無い場合と同等となる。

細突起部５ｂの先端面５ｃの位置を、遮断器２００の接点が閉極する位置に相当するストローク位置としておくことで、接点投入までの駆動力を低減して投入速度を低減し、接点の閉極後は大きな電磁力を発生させることが可能となる。ここで、主突起部５ａの内側の面は可動鉄心２の側面と対向しているので、突出部５Ａの存在により可動鉄心２の外側面とヨーク４の内側面との間の対向面積が大きくなって磁気抵抗が小さくなる。このため、電磁アクチュエータ１００Ａは、常励保持状態に移行した際に小さな電流で大きな保持力を発生させることが可能となる。これにより、電磁アクチュエータ１００Ａは、低速投入と高保持力を両立することができる。

ここで、図６から図８で説明した細突起部５ｂの作用によって電磁アクチュエータ１００Ａの吸引力特性に生じる効果を、図９および図１０を用いて説明する。

図９は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの磁気回路の概念を示す図である。図９では、コイル１の起磁力をＩ、固定鉄心３を通る磁路の磁気抵抗をＲ０、可動鉄心２の吸着面２ａを通る磁路の磁気抵抗をＲ１、細突起部５ｂを通る磁路の磁気抵抗をＲ２で表している。固定鉄心３を通る磁路の磁束は全磁束Φ０であり、吸着面２ａを通る磁路の分流磁束は磁束Φ１であり、細突起部５ｂを通る磁路の分流磁束は磁束Φ２である。

図１０は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータにおけるストロークと吸引力との関係を示す図である。図１０の横軸は可動鉄心２のストローク、すなわち吸着面２ａのＺ方向の位置であり、縦軸は吸引力である。可動鉄心２は、図３に示す位置から図４に示す投入完了位置までの範囲で移動する。

実線で示す特性ｆ１は、細突起部５ｂが無い電磁アクチュエータの吸引力特性であり、点線で示す特性ｆ２は、細突起部５ｂが有る電磁アクチュエータ１００Ａの吸引力特性であり、破線で示す特性ｆ０は、機構負荷の特性である。

位置ｚ０は可動鉄心２の初期位置である。位置ｚ１は、細突起部５ｂのプラスＺ方向の先端位置に対応し、位置ｚ２は、図１および図２における可動側接点１０４と固定側接点１０５とが当接する位置に対応している。

ストロークが、位置ｚ０から位置ｚ２までの間、すなわち遮断器２００の可動側接点１０４が固定側接点１０５と接触するまでの間は、特性ｆ０に示されるように、機構負荷は遮断器２００が備える開極ばね１０７のばね力と、電磁アクチュエータ１００Ａが備える復帰ばね８のばね力との合計となり、ストロークに応じて緩やかに上昇する。

ストロークが位置ｚ２に達した以降、すなわち可動側接点１０４と固定側接点１０５とが接触して遮断器２００が閉極した以降は、可動鉄心２の内側に配置された接圧ばね７によって接圧力が印加され、機構負荷は開極ばね１０７のばね力と復帰ばね８のばね力と接圧ばね７のばね力との合計となり、機構負荷が急激に上昇する。

特性ｆ１に示されるように、細突起部５ｂが無い電磁アクチュエータの場合、接圧ばねに接圧力が印加された以降の機構負荷を越えるように吸引力特性を設計すると、接点接触位置である位置ｚ２以前での吸引力と機構負荷との差分δ１が大きくなってしまう。この差分δ１は、可動鉄心の加速力となるので、差分δ１が大きいことによって、可動鉄心の速度が大きくなり、遮断器の接点投入衝撃が大きくなってしまう。

一方、細突起部５ｂがある電磁アクチュエータ１００Ａの場合、ストロークの前半、すなわち初期位置である位置ｚ０から細突起部５ｂの先端位置である位置ｚ１を越えるまでの間は、磁気ギャップｇ，ｓの関係がｇ＜ｓとなる。このため、細突起部５ｂを通る磁路の磁気抵抗Ｒ２は可動鉄心２の吸着面２ａを通る磁路の磁気抵抗Ｒ１と同程度であり、全磁束Φ０のうちの一部の磁束が磁気抵抗Ｒ２に分流することで、磁気抵抗Ｒ１を通る磁束Φ１が減じられ、可動鉄心２の吸引力が減じられる。

したがって、図１０に示すように、本実施の形態の電磁アクチュエータ１００Ａにおける吸引力の特性ｆ２と機構負荷の特性ｆ０との差分δ２は、細突起部５ｂが無い場合の差分δ１に比べて小さくなり、可動鉄心２の速度は小さくなる。

さらに、本実施の形態の電磁アクチュエータ１００Ａの場合、プラスＺ方向において可動鉄心２の吸着面２ａが細突起部５ｂの先端面５ｃを越えた後、すなわちストロークが位置ｚ１を越えた後は、磁気ギャップｇ，ｓの関係がｇ＞ｓとなる。このため、磁気抵抗Ｒ１，Ｒ２の関係はＲ１≪Ｒ２となり、磁気抵抗Ｒ２に分流する磁束Φ２はほぼ零となる。これにより、ストロークが位置ｚ１を越えた以降は、吸引力の特性ｆ２は急激に増加し、細突起部５ｂが無い電磁アクチュエータの吸引力と同等以上となる。したがって、電磁アクチュエータ１００Ａでは、特性ｆ２を、接点の当接位置に対応する位置ｚ２以降における機構負荷の急激な上昇を越えた特性とすることができる。

このように、電磁アクチュエータ１００Ａは、接点に当接する以前の機構負荷が小さいストローク領域においては吸引力を低減し可動鉄心２の速度を抑えて投入衝撃を低減することができるとともに、接点が投入された以降の機構負荷が大きいストローク領域においては吸引力を増大させることができる。

閉極状態においては、磁気回路の全磁気抵抗は、可動鉄心２の側面と突出部５Ａとの間の磁気ギャップによる磁気抵抗が支配的となる。電磁アクチュエータ１００Ａでは、細突起部５ｂが固定鉄心３の方向に突出して可動鉄心２の側面との対向面積が大きくなっているので、磁気抵抗が低減し、閉極状態での吸引力が向上する。これにより、図５におけるスイッチＳＷ２をオフし、保持抵抗Ｒｈを介することでコイル電流が小さくなる閉極保持状態において、保持力を向上させることができる。

ここで、実施の形態１における突出部５Ａの構造を図１１および図１２を用いて説明する。図１１は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの断面斜視図であり、図１２は、図１１に示す突出部の斜視図である。なお、図１１では、シャフト６、接圧ばね７、および復帰ばね８の図示を省略している。

主突起部５ａおよび細突起部５ｂは円筒形状である。細突起部５ｂの内径は主突起部５ａの内径と同じであり、細突起部５ｂの外径は主突起部５ａの外径よりも小さい。電磁アクチュエータ１００Ａでは、細突起部５ｂの肉厚（側壁面の厚み）を調整することで、図６から図９における分流磁束である磁束Φ２の量を調整することができ、図１０における特性ｆ２を調整することができる。すなわち、細突起部５ｂの肉厚を大きくすると磁束Φ２が大きくなるとともに吸引力の減少量が大きくなり、細突起部５ｂの肉厚を小さくすると磁束Φ２が小さくなるとともに吸引力の減少量が小さくなる。換言すると、細突起部５ｂの側壁面が厚いほど、磁束Φ２が大きくなるとともに吸引力が小さくなる。なお、細突起部５ｂの外径は、主突起部５ａの外径と同じであってもよい。

このように実施の形態１では、突出部５Ａが固定鉄心３に対向する細突起部５ｂを有し、可動鉄心２が固定鉄心３に対向する先端部を有し、可動鉄心２の初期位置において、細突起部５ｂが可動鉄心２の先端部よりも固定鉄心３側に突出している。この構成により、開極状態では、磁気回路を流れる全磁束Φ０が、可動鉄心２の吸着面２ａを通る磁束Φ１と、細突起部５ｂを通る磁束Φ２とに分流するので、可動鉄心２に加わる吸引力が減少する。また、閉極状態では主突起部５ａにより可動鉄心２の外側面とヨーク４の内側面との間の対向面積が大きくなって磁気抵抗が小さくなるので、小さな電流で大きな保持力を発生させることが可能となる。したがって、電磁アクチュエータ１００Ａは、常励保持方式の遮断器２００に対し、接点投入時の投入速度の低減と、閉極保持状態における保持力の維持とを両立することが可能になる。

実施の形態２.
つぎに、図１３および図１４を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、突出部の細突起部を細い角柱状とする。

図１３は、実施の形態２にかかる電磁アクチュエータの断面斜視図であり、図１４は、図１３に示す突出部の斜視図である。なお、図１３では、シャフト６、接圧ばね７、および復帰ばね８の図示を省略している。図１３の各構成要素のうち図１１に示す実施の形態１の電磁アクチュエータ１００Ａと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

図１３では、電磁アクチュエータ１００Ｂの初期位置の状態を示している。電磁アクチュエータ１００Ｂは、電磁アクチュエータ１００Ａと比較して突出部５Ａの代わりに突出部５Ｂを備えている。突出部５Ｂは、突出部５Ａと比較して細突起部５ｂの代わりに細突起部５ｂ１を備えている。

実施の形態２にかかる電磁アクチュエータ１００Ｂにおいては、突出部５Ｂをなす円筒の一部にＺ方向に延びる複数のスリットが設けられ、突出部５Ｂの先端部を複数の細い角柱状とすることにより、細突起部５ｂ１を構成している。細突起部５ｂ１の固定鉄心３側の先端面が先端面５ｃ１である。これにより、細突起部５ｂ１は、主突起部５ａと比べて磁路断面積が小さくなり、磁気飽和することで図９における分流磁束（磁束Φ２）を制限する。突出部５Ｂに対しては、細突起部５ｂ１の幅、すなわちスリットの大きさを調整することで、図１０に示す特性ｆ２を調整することができる。

このように実施の形態２によれば、電磁アクチュエータ１００Ｂの細突起部５ｂ１を細い角柱状としているので、接点投入時および閉極保持状態において、細突起部５ｂ１への分流磁束である磁束Φ２を制限することが可能となる。したがって、電磁アクチュエータ１００Ｂは、電磁アクチュエータ１００Ａと同様に、常励保持方式の遮断器２００に対し、接点投入時の投入速度の低減（余剰投入力の低減）と、閉極保持状態における保持力の維持とを両立することが可能になる。

実施の形態３.
つぎに、図１５および図１６を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では、突出部の細突起部を細い円柱状とする。

図１５は、実施の形態３にかかる電磁アクチュエータの断面斜視図であり、図１６は、図１５に示す突出部の斜視図である。なお、図１５では、シャフト６、接圧ばね７、および復帰ばね８の図示を省略している。図１５の各構成要素のうち図１１に示す実施の形態１の電磁アクチュエータ１００Ａと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

図１５では、電磁アクチュエータ１００Ｃの初期位置の状態を示している。電磁アクチュエータ１００Ｃは、電磁アクチュエータ１００Ａと比較して突出部５Ａの代わりに突出部５Ｃを備えている。突出部５Ｃは、突出部５Ａと比較して細突起部５ｂの代わりに細突起部５ｂ２を備えている。

実施の形態３にかかる電磁アクチュエータ１００Ｃにおいては、突出部５Ｃが備える主突起部５ａの先端面状に複数の磁性体の円柱状部材を配置することで、細突起部５ｂ２を構成している。細突起部５ｂ２の固定鉄心３側の先端面が先端面５ｃ２である。これにより、細突起部５ｂ２は、主突起部５ａと比べて磁路断面積が小さくなり、磁気飽和することで、図９における分流磁束（磁束Φ２）を制限する。突出部５Ｃに対しては、細突起部５ｂ２の本数または直径を調整することで、図１０に示す特性ｆ２を調整することができる。

このように実施の形態３によれば、電磁アクチュエータ１００Ｃの細突起部５ｂ２を円柱状部材としているので、接点投入時および閉極保持状態において、細突起部５ｂ２への分流磁束である磁束Φ２を制限することが可能となる。したがって、電磁アクチュエータ１００Ｃは、電磁アクチュエータ１００Ａ，１００Ｂと同様に、常励保持方式の遮断器２００に対し、接点投入時の投入速度の低減と、閉極保持状態における保持力の維持とを両立することが可能になる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ コイル、２ 可動鉄心、２ａ，３ａ 吸着面、３ 固定鉄心、４ ヨーク、４ａ ヨークパイプ、４ｂ 固定側蓋板、４ｃ 可動側蓋板、５Ａ〜５Ｃ 突出部、５ａ 主突起部、５ｂ，５ｂ１，５ｂ２ 細突起部、５ｃ 先端面、６ シャフト、７ 接圧ばね、８ 復帰ばね、１００Ａ〜１００Ｃ 電磁アクチュエータ、１０１ 下部導体、１０２ 上部導体、１０３ 可動導体、１０４ 可動側接点、１０５ 固定側接点、１０６ 可撓シャント、１０７ 開極ばね、１０８ 消弧室、２００ 遮断器。

Claims (7)

1. 筒状のコイルと、
   遮断器で使用される接点の開極状態の初期位置から前記接点の閉極状態の位置まで前記コイルの中心軸方向に可動自在な可動鉄心と、
   前記可動鉄心とともに移動するシャフトと、
   前記可動鉄心に対して前記コイルの中心軸方向に対向する固定鉄心と、
   前記コイル、前記可動鉄心、および前記固定鉄心を囲うヨークと、
   を備え、
   前記ヨークは、前記ヨークの内壁面から前記ヨークの内側に突出し、前記可動鉄心から前記固定鉄心に向かう方向に延設された突出部を有し、
   前記突出部は、前記固定鉄心に対向する第１の先端部を有し、
   前記可動鉄心は、前記固定鉄心に対向する第２の先端部を有し、
   前記初期位置において、前記第１の先端部の先端面は前記第２の先端部の先端面よりも前記固定鉄心が配置されている方向に突出し、
   前記可動鉄心の内側には、前記接点に接圧力を印加する接圧ばねが配置され、
   前記固定鉄心の内側には、前記接点を引き離す方向に力を印加する復帰ばねが配置され、
   前記シャフトと前記可動鉄心とは前記接圧ばねによって連結され、
   前記シャフトと前記固定鉄心とは前記復帰ばねによって連結されている、
   ことを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記突出部は、
   前記ヨークの内壁面から前記固定鉄心に向かう方向に延設された主突起部と、
   前記主突起部から前記固定鉄心に向かう方向に延設された前記第１の先端部と、
   を含み、
   前記可動鉄心の移動方向に垂直な第１の方向の前記第１の先端部の幅は、前記第１の方向の前記主突起部の幅よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記ヨークは、
   前記固定鉄心に接続された第１の磁性体板と、
   前記第１の磁性体板に対向する第２の磁性体板と、
   前記コイルの側面を囲って前記第１の磁性体板と前記第２の磁性体板とを接続する第１のパイプと、
   前記コイルの内周領域に配置されて前記第２の磁性体板に接続される第２のパイプと、
   を含み、
   前記第１のパイプおよび前記第２のパイプは磁性体からなり、前記第２のパイプは前記第２の磁性体板とは別体として構成され、前記第２のパイプが前記突出部であり、前記第２のパイプの内壁面が前記可動鉄心の外壁面に対向している、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記主突起部と前記第１の先端部とは別部品で構成されており、前記主突起部と前記第１の先端部とが連結されることで前記突出部が形成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記主突起部は磁性体のパイプで構成され、前記第１の先端部は前記主突起部よりも薄肉の磁性体のパイプで構成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電磁アクチュエータ。
6. 前記第１の先端部の外壁面には雄ねじが切ってあり、前記主突起部の内壁面には雌ねじが切ってあり、前記第１の先端部と前記主突起部とは、ねじ込み式に結合される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電磁アクチュエータ。
7. 前記突出部は、
   前記ヨークの内壁面から前記固定鉄心に向かう方向に延設された主突起部と、
   前記主突起部から前記固定鉄心に向かう方向に延設された前記第１の先端部と、
   を含み、
   前記第１の先端部は、複数の柱状部材で構成されている、
   ことを特徴とする請求項１，２，４の何れか１つに記載の電磁アクチュエータ。

Images