JP7435899B2 - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石の磁束により可動鉄心を吸着しコイル励磁によって可動鉄心を釈放する電磁アクチュエータに関する。

配電系統用遮断器では、接点の引外しのために電磁アクチュエータを用いた機構が使われている。この電磁アクチュエータを用いた遮断器は、外部電源によって電磁アクチュエータのコイルが励磁され、電磁アクチュエータの可動鉄心が釈放されることにより機構が動作し、接点の閉極状態を保持するラッチが引外され、接点が開極する。

電磁アクチュエータの構成を開示した先行文献として、たとえば特開昭６１－１２８４３６号公報（特許文献１）がある。この電磁アクチュエータは、駆動ばねと、永久磁石と、永久磁石の磁束を打ち消すコイルと、コイル外周を囲うヨークと、可動鉄心と、磁束ダイバータを備える。磁束ダイバータは、ヨークと接続され、永久磁石の磁束の一部をヨークに分流させる役割を担う。

可動鉄心が永久磁石にて吸引された状態で保持された状態では、永久磁石の磁束は、可動鉄心の吸着面を通る磁路である吸着磁路を通ることにより、可動鉄心に磁気吸着力が発生する。また、吸着磁路とは、磁気吸着力を生じる磁路である。また、永久磁石の磁束は、可動鉄心の吸着面を通らない磁路である分流磁路を通っている。また、分流磁路とは、磁気吸着力を生じない磁路である。このとき、吸着磁路の磁束と分流磁路の磁束の比は、吸着磁路と分流磁路の磁気抵抗の比によって決まる。

ここで、この吸引状態においてコイルに通電されると、可動鉄心を通る磁束が打ち消され、永久磁石の磁束の多くが分流磁路にバイパスすることで、可動鉄心に加わる磁気吸着力が減じられる。可動鉄心に加わる磁気吸着力が駆動ばねのばね力を下回ることで、可動鉄心が釈放され、駆動される。

特開昭６１－１２８４３６号公報

上記公報の電磁アクチュエータでは、分流磁路の磁気抵抗は、磁束ダイバータの磁路の幅である磁路幅、磁束ダイバータの磁路の長さである磁路長および、磁束ダイバータとヨークの接触部の磁気ギャップによって決まるが、磁束ダイバータとヨークとの接触部の幅が小さいため、磁束ダイバータとヨークの接触部の磁気ギャップのばらつきにより、分流磁路の磁気抵抗のばらつきが大きくなるという問題がある。結果として、吸引保持状態において分流磁路に流れる磁束量がばらつきやすく、可動鉄心の磁気吸引力のばらつきも大きくなるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、分流磁路の磁気抵抗のばらつきを低減し、磁気吸引力のばらつきが小さい電磁アクチュエータを提供することである。

本発明に基づく電磁アクチュエータは、筒状のコイルと、コイルの内周側に配置され、コイルの一端方向へ突出し、コイルの中心軸方向に沿って可動自在な可動鉄心と、コイルのもう一端側に配置される固定鉄心と、コイルの外周を囲んで配置され、内側で固定鉄心と接触する磁性体のヨークと、可動鉄心を一端方向へばね力を印加する駆動ばねと、可動鉄心を固定鉄心に吸着する磁束を発生する永久磁石とを備え、固定鉄心は、固定鉄心とヨークとが接触する部位の一端方向の幅より、その一端方向が狭い第一の狭路部を有する。

本発明に基づく電磁アクチュエータによれば、分流磁路に狭路部を有し、分流磁路における固定鉄心とヨークの接触部の幅が狭路部の幅より大きいため、分流磁路において固定鉄心とヨークの接触部における磁気抵抗よりも狭路部の磁気抵抗が大きい。このため、分流磁路の磁気抵抗のばらつきが軽減され、磁気吸引力のばらつきが軽減される。これにより、安定した性能の電磁アクチュエータを得ることができる。

実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの全体図である。 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る。 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの断面正面図である。 実施の形態２にかかる電磁アクチュエータの断面正面図である。 実施の形態３にかかる電磁アクチュエータの断面正面図である。 実施の形態４にかかる電磁アクチュエータの全体図である。 実施の形態４にかかる電磁アクチュエータの断面斜視図である。 実施の形態５にかかる電磁アクチュエータの断面正面図である。 実施の形態６にかかる電磁アクチュエータの断面正面図である。 実施の形態７にかかる電磁アクチュエータの全体図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電磁アクチュエータについて図面を参照して説明する。以下の実施の形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

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の全体外形図である。図２は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの断面斜視図である。図３は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの断面正面図である。

電磁アクチュエータは、コイル５の中心軸方向に沿って可動自在な可動鉄心１と、ヨーク２と、固定鉄心３と、永久磁石４と、コイル５と、駆動ばね６とを備える。ヨーク２は、コイル５を囲うように配置されており、可動鉄心１と固定鉄心３と永久磁石４とともに磁気回路を形成する。可動鉄心１は、コイル５の内周側に配置され、コイル５の一端方向へ突出し、コイル５の中心軸方向に沿って可動自在である。ヨーク２は、上部ヨーク２ａと、外周ヨーク２ｂとを有する。電磁アクチュエータの磁気回路は、吸着磁路Ｍ２と、分流磁路Ｍ３とを有する。吸着磁路Ｍ２は、永久磁石４と固定鉄心３と可動鉄心１と上部ヨーク２ａと外周ヨーク２ｂとを通る。分流磁路Ｍ３は、永久磁石４と固定鉄心３と外周ヨーク２ｂとを通り、可動鉄心１を通らずに固定鉄心３から外周ヨーク２ｂにバイパスする。また、吸着磁路Ｍ２と分流磁路Ｍ３とが共通する磁路を共通磁路Ｍ１として図に示す。共通磁路Ｍ１は、磁路として閉じるものではない。

電磁アクチュエータの吸引保持状態では、可動鉄心１は、吸着磁路Ｍ２の磁束による磁気吸引力により、固定鉄心３に吸着された状態となる。永久磁石４の発生する磁束は、吸着磁路Ｍ２の磁気抵抗と、分流磁路Ｍ３の磁気抵抗とによって分配される。

コイル５は、ボビン５ａとコイル巻線５ｂとを有する。

駆動ばね６は、吸引保持状態において、可動鉄心１に加わる磁気吸引力と逆向きの力を印加するよう設置される。吸引保持状態においては、可動鉄心１に加わる磁気吸引力は駆動ばね６のばねの弾性力よりも大きく、可動鉄心１は固定鉄心３に吸着された状態となっている。

可動鉄心１を釈放する動作の際は、以下の流れとなる。まず、コイル５に通電されることにより、吸着磁路Ｍ２を通る永久磁石４による磁束が打ち消され、永久磁石４の発生する磁束が分流磁路Ｍ３にバイパスされる。これにより、可動鉄心１に加わる磁気吸引力が減じ、磁気吸引力が駆動ばね６のばね力を下回る。このため、可動鉄心１がばね力により、図１、図２、および図３における上方向に駆動される。つまり、駆動方向は図１で示す矢印のように上方向であり、駆動ばねの延伸方向である。また、駆動方向はコイル５の一端方向である。上記の動作により、可動鉄心１は釈放される。言いかえると、可動鉄心１と固定鉄心３とが解離する釈放動作時には、永久磁石４から第一の狭路部を経由し、外周ヨーク２ｂを通る分流磁路Ｍ３が発生する。

ここで、図３に示すように、固定鉄心３の分流磁路Ｍ３をなす部分に、固定鉄心３に設けられた空隙であるスリット３ａが設けられ、第一の狭路部３ｂが形成されている。スリット３ａは、固定鉄心の駆動方向の幅を減じるように設けられている。なお、スリット３ａは、固定鉄心３に溝を彫ることにより形成してもよいし、固定鉄心３に穴を開けることにより形成してもよい。スリット３ａは、固定鉄心３の外周を曲げることにより形成してもよい。

第一の狭路部３ｂは、磁気飽和することで磁気抵抗の高い部位となる。固定鉄心３と外周ヨーク２ｂとの接触部８における駆動方向の幅W１は、スリット３ａとして駆動方向の幅が減じられた第一の狭路部の幅Ｗ２より大きい。このため、固定鉄心３と外周ヨーク２ｂの接触部８の磁気抵抗は、第一の狭路部３ｂの磁気抵抗に比べて十分に小さくとることができる。したがって、分流磁路M３の磁気抵抗は、主に第一の狭路部３ｂの磁気抵抗によって規定される。これにより、固定鉄心３と外周ヨーク２ｂの接触面のばらつきによる接触部８の磁気抵抗のばらつきが分流磁路の磁気抵抗へ与える影響を小さくすることができる。また、第一の狭路部３ｂの磁気抵抗は、第一の狭路部３ｂの長さＧ１によって規定することができる。

これにより、分流磁路Ｍ３の磁気抵抗のばらつきを低減し、吸引保持状態における磁気吸引力を安定させることができる。

実施の形態２.
以下、本発明の実施の形態２にかかる電磁アクチュエータについて、図４を参照して説明する。図４は、本発明の実施の形態２における電磁アクチュエータの断面正面図であり、実施の形態１における図３に対応する。その他の構成については実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

図４において、固定鉄心３には、くさび状の溝によりスリット３ａが形成されている。くさび状の溝はプレス加工等により簡便に製作することが可能であるため、加工コストの低減と吸引力の安定とを同時に実現することができる。

実施の形態３.
以下、本発明の実施の形態３にかかる電磁アクチュエータについて、図５を参照して説明する。図５は、本発明の実施の形態３における電磁アクチュエータの断面正面図であり、実施の形態１における図３に対応する。その他の構成については実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

図５において、固定鉄心３には、上下両方向からスリット３ａが設けられ、第一の狭路部３ｂが形成される。固定鉄心３は、上下両方向からスリット３ａを設けることにより、深さの小さいスリットで第一の狭路部３ｂを形成することができる。このため、固定鉄心３は、容易な加工が可能になる。これにより、加工コスト低減と吸引力安定とを同時に実現することができる。なお、上述の説明における上下両方向とは、駆動方向を上方向とし、駆動方向の逆方向を下方向としての方向である。

実施の形態４.
以下、本発明の実施の形態４にかかる電磁アクチュエータについて、図６、図７を参照して説明する。図６は、本発明の実施の形態４における電磁アクチュエータの外形全体図であり、実施の形態１における図１に対応する。図７は、実施の形態４における電磁アクチュエータの断面斜視図であり、実施の形態１における図２に対応する。その他の構成については実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

駆動方向は図６で示す矢印のように上方向であり、駆動ばねの延伸方向である。また、図６において、ヨーク２は、上部ヨーク２ａと、管状の磁性体であるパイプを有する外周ヨーク２ｂと、磁性体を有する下部ヨーク２ｃとを有する。図７において、外周ヨーク２ｂがパイプで構成されることにより、固定鉄心３と外周ヨーク２ｂとは嵌めあいにより精度良く接続することができる。これにより、固定鉄心３と外周ヨーク２ｂとの接触部８の磁気抵抗のばらつきを低減することができ、より安定した吸引力を得ることができる。

実施の形態５.
以下、本発明の実施の形態５にかかる電磁アクチュエータについて、図８を参照して説明する。図８は、実施の形態５における電磁アクチュエータの断面正面図であり、実施の形態２における図４に対応する。その他の構成については実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。

図８において、固定鉄心３は、分流磁路Ｍ３と永久磁石４との間に、第二の狭路部７を備える。第二の狭路部の直径Ｄ２は、永久磁石４の直径Ｄ１に比べて小さい。これにより、第二の狭路部７は磁気飽和した状態となる。第二の狭路部が磁気飽和することにより、磁気回路に供給される磁束が制限される。したがって、永久磁石４の発生する磁束が熱減磁等によって変動したとしても、吸着磁路M２および分流磁路M３に流れる磁束の量は変わらない。なお、熱減磁とは、室温で着磁した磁石を高温にさらした時、熱振動による磁気モーメントのゆらぎまたは反転によって、磁束が減少する現象のことである。これによって、可動鉄心１に加わる磁気吸引力をさらに安定化することができ、磁石の熱減磁に対して安定した性能の電磁アクチュエータを得ることができる。

実施の形態６.
以下、本発明の実施の形態６にかかる電磁アクチュエータについて、図９を参照して説明する。図９は、実施の形態６における電磁アクチュエータの断面正面図であり、実施の形態２における図４に対応する。その他の構成については実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。

図９において、固定鉄心３は、副固定鉄心３１と、磁性体リング３２との組み合わせによって構成される。磁性体リング３２は中央に穴を有し、副固定鉄心３１の突起部との嵌めあいによって連結される。副固定鉄心３１と磁性体リング３２とは、少なくとも一部に隙間を有し、スリット３ａを形成する。磁性体リング３２において、スリット３ａの位置に対応する位置に第一の狭路部３ｂが形成される。また、磁性体リング３２は、外周ヨーク２ｂと接続され、その接触部８の幅は、狭路部３ｂの幅に比べて大きい。

この構成により、加工により固定鉄心３に溝を設けることなく、スリット３ａが形成され、第一の狭路部３ｂが形成される。このため、溝を彫る加工工程が不要になり、加工コスト低減を図ることができる。これにより、加工コスト低減と吸引力安定を同時に実現することができる。

実施の形態７.
以下、本発明の実施の形態７にかかる電磁アクチュエータについて、図１０を参照して説明する。図１０は、実施の形態７における電磁アクチュエータの全体図であり、実施の形態１における図１に対応する。ここで、コイル５は図示していない。その他の構成については実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

図１０において、固定鉄心３に穴３ｃが設けられることにより、第一の狭路部３ｂが形成される。穴３ｃは、固定鉄心３の駆動方向に対して垂直な平面に設けられた穴であり、固定鉄心３と外周ヨーク２ｂとが接する面と平行な方向に延伸している。固定鉄心の表面とヨークとが接触する接触部８の幅W３は、接触部８と平行な方向の第一の狭路部の幅W４に比べて大きい。このため、固定鉄心３と外周ヨーク２ｂの接触部８の磁気抵抗は、第一の狭路部３ｂの磁気抵抗に比べて十分に小さくとることができる。また、溝加工を施すことなく第一の狭路部３ｂを形成することができるため、加工が容易になる。これにより、加工コスト低減と吸引力安定とを同時に実現することができる。

なお、本発明は、矛盾のない範囲内において、各実施の形態の内容を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 可動鉄心、２ ヨーク、２ａ 上部ヨーク、２ｂ 外周ヨーク、２ｃ 下部ヨーク、３ 固定鉄心、３ａ スリット、３ｂ 第一の狭路部、３ｃ 穴、４ 永久磁石、５ コイル、５ａ ボビン、５ｂ コイル巻線、６ 駆動ばね、７ 第二の狭路部、８ 接触部、３１ 副固定鉄心、３２ 磁性体リング、Ｗ１ 接触部の幅、Ｗ２ 第一の狭路部の幅、Ｄ１ 永久磁石の直径、Ｄ２ 第二の狭路部の直径、Ｍ１ 共通磁路、Ｍ２ 吸着磁路、Ｍ３ 分流磁路。

Claims (9)

1. 筒状のコイルと、
   前記コイルの内周側に配置され、前記コイルの一端方向へ突出し、
   前記コイルの中心軸方向に沿って可動自在な可動鉄心と、
   前記コイルのもう一端側に配置される固定鉄心と、
   前記コイルの外周を囲んで配置され、内側で前記固定鉄心と接触する磁性体のヨークと、
   前記可動鉄心に対して前記一端方向へばね力を印加する駆動ばねと、
   前記可動鉄心と前記固定鉄心とを吸着させるための磁束を発生する永久磁石とを備え、
   前記固定鉄心は、前記固定鉄心と前記ヨークとが接触する部位の前記一端方向の幅より、その前記一端方向の幅が狭い第一の狭路部を有し、
   前記可動鉄心と前記固定鉄心とが解離する釈放動作時には、前記永久磁石から前記第一の狭路部を経由し、前記ヨークを通る分流磁路が発生する
   ことを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記分流磁路は、前記永久磁石と前記固定鉄心と前記ヨークとを通り、かつ前記可動鉄心を通らない磁路である
   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. 前記第一の狭路部は、前記固定鉄心に溝または穴を設けることにより形成される
   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. 前記第一の狭路部は、前記固定鉄心にくさび状の溝を設けることにより形成される
   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。
5. 前記第一の狭路部は、前記固定鉄心に対して駆動方向を上下方向として上下両側から溝を設けることにより形成され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。
6. 前記ヨークは、上部ヨークと、管状の磁性体であるパイプを有する外周ヨークと、磁性体を有する下部ヨークを有し、
   前記固定鉄心と前記外周ヨークとは、嵌め合いにより接続されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
7. 前記固定鉄心は、前記分流磁路と前記永久磁石との間に、第二の狭路部を有し、
   前記第二の狭路部の直径は、前記永久磁石の直径に比べて小さいことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
8. 筒状のコイルと、
   前記コイルの内周側に配置され、前記コイルの一端方向へ突出し、
   前記コイルの中心軸方向に沿って可動自在な可動鉄心と、
   前記コイルのもう一端側に配置され、副固定鉄心と磁性体リングとを有する固定鉄心と、
   前記コイルの外周を囲んで配置され、内側で前記固定鉄心と接触する磁性体のヨークと、
   前記可動鉄心を前記一端方向へばね力を印加する駆動ばねと、
   前記可動鉄心を前記固定鉄心に吸着する磁束を発生する永久磁石とを備え、
   前記磁性体リングは、前記副固定鉄心の突起部との嵌め合いによって第一の狭路部を形成し、
   前記ヨークは管状の磁性体であるパイプを有する外周ヨークを有し、前記磁性体リングと前記外周ヨークが接触する接触部の駆動方向の幅は、前記第一の狭路部の駆動方向の幅に比べて大きい
   ことを特徴とする電磁アクチュエータ。
9. 筒状のコイルと、
   前記コイルの内周側に配置され、前記コイルの一端方向へ突出し、
   前記コイルの中心軸方向に沿って可動自在な可動鉄心と、
   前記コイルのもう一端側に配置される固定鉄心と、
   前記コイルの外周を囲んで配置され、内側で前記固定鉄心と接触する磁性体のヨークと、
   前記可動鉄心を前記一端方向へばね力を印加する駆動ばねと、
   前記可動鉄心を前記固定鉄心に吸着する磁束を発生する永久磁石とを備え、
   前記固定鉄心は、第一の狭路部を有し、
   前記第一の狭路部は、前記コイルの中心軸方向に対して垂直な平面に設けられ、前記固定鉄心の表面と前記ヨークとが接触する接触部と
   平行な方向に延伸した穴を設けることにより形成され、前記固定鉄心の表面と前記ヨークとが接触する接触部における前記平行な方向の幅より、その前記平行な方向の幅が小さい
   ことを特徴とする電磁アクチュエータ。

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