JP7458237B2 - 電極の操作機構 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電極を開閉するための操作機構に関する。

例えば、ビル、工場、病院などには、電力の配送電系統における電路の保護、電力の制御、設備の監視などを図るために金属閉鎖形スイッチギヤ（以下、単にスイッチギヤという）が備えられている。スイッチギヤは、金属容器（筐体）によって外部から隔てられた空間に主回路導体、電力ケーブル、接地装置、変流器、真空遮断器などを収容して構成されている。真空遮断器は、電極を導電状態または絶縁状態に適宜切り換えて電流を遮断する真空バルブを有している。

真空バルブは、離接可能な一対の電極が筒状の真空絶縁容器内に収納されて構成されている。これらの電極は、所定の操作機構によって離接（開閉）操作される。操作機構の一例として、コイルに通電して磁束を発生させ、発生させた磁束により得られる磁力で電極を開閉させる電磁操作機構が挙げられる。電磁操作機構は、ヨークの内部に開路コイル、閉路コイル、永久磁石、アーマチャなどが設けられて構成されている。一対の電極は、永久磁石の磁束により得られる磁力によって接触して閉路状態に維持される。閉路した電極を開路させる場合、開路コイルに通電して永久磁石と逆向きの磁束を発生させ、電極同士を離間させる方向へアーマチャを変位させる。開路した電極を閉路させる場合、閉路コイルに通電して永久磁石と同じ向きの磁束を発生させ、電極同士を接触させる方向へアーマチャを変位させる。いずれの場合も、コイルにより発生させた磁束は永久磁石を通る。

特開２０１９－０２９２２２号公報 特開２０１９－１０２１２４号公報

しかしながら、永久磁石は、透磁率の値が空気に近く、磁気抵抗が大きい。このため、かかる磁気抵抗を考慮し、電極の開閉時には開路コイルや閉路コイルで大きな起磁力を発生させる必要がある。起磁力はコイルの巻き数と通電電流に比例するため、起磁力を大きくする場合、コイル自体や通電用の電源回路などの大型化を招きやすい。特に、閉路コイルは、永久磁石に加えて、ヨークにおいて閉路コイルを支持する部位とアーマチャとの間の空隙（エアギャップ）も通る経路にて、電極の閉路に必要な磁束、つまり永久磁石により生じる磁束を打ち消すような磁束を発生させなければならない。このため、閉路コイルおよびその電源回路はさらに大型化しやすい。

そこで、コイルの起磁力の低減を図るとともに、電極をスムーズに開閉させることが可能な電極の操作機構を提供する。

実施形態の操作機構は、一対の電極を離接させる電磁的な操作機構であり、ヨークと、アーマチャと、磁石と、コイルと、磁気抵抗体とを備える。前記ヨークは、所定の軸芯を取り囲むように連続する筒状をなす。前記アーマチャは、前記ヨークの第１の面と離接可能な第２の面を有し、前記第２の面を前記第１の面と離接可能に所定方向へ進退する。前記磁石は、前記軸芯と同心の環状に構成され、前記第１の面を含む前記ヨークと前記第２の面を含む前記アーマチャとを通り、前記ヨークに対する前記アーマチャの位置を保持する第１の磁束を発生する。前記コイルは、前記磁石と離間して配置され、前記第１の面を含む前記ヨークと前記第２の面を含む前記アーマチャとを通り、前記磁石を避けて通る第２の磁束を発生する。前記磁気抵抗体は、前記軸芯と同心の環状に構成されて前記軸芯に対して前記磁石よりも外側に配置され、前記所定方向に対して前記磁石からずれて配置され、磁気抵抗が前記磁石よりも低く、前記第２の磁束が通る。

第１の実施形態の開路状態における操作機構を含む真空遮断器の概略構成を示す模式図。 第１の実施形態の閉路状態における操作機構を含む真空遮断器の概略構成を示す模式図。 第１の実施形態の操作機構における磁気抵抗体の磁気抵抗の規定を説明するための模式図。 第１の実施形態において磁気抵抗体を空間とした場合の操作機構の概略構成を示す模式図。 第１の実施形態の操作機構の閉路動作の開始時の動作態様を模式的に示す図。 第１の実施形態の操作機構の閉路動作中の動作態様を模式的に示す図。 第１の実施形態の操作機構の閉路動作の終了時の動作態様を模式的に示す図。 第１の実施形態の操作機構の開路動作の開始時の動作態様を模式的に示す図。 第１の実施形態の操作機構の開路動作中の動作態様を模式的に示す図。 第１の実施形態の操作機構の開路動作の終了時の動作態様を模式的に示す図。 第２の実施形態の操作機構の概略構成を示す模式図。 第３の実施形態の操作機構の概略構成を示す模式図。

以下、実施形態に係る電極の操作機構について、図１から図１２を参照して説明する。操作機構は、一対の電極を離接させて、これらの電極を含む回路を閉路および開路させるための電磁的な機構（電極の開閉操作機構）である。本実施形態において、操作機構は、真空バルブとともにスイッチギヤの真空遮断器を構成し、真空バルブの電極を離接（開閉）させる。スイッチギヤの真空遮断器は、電力の配送電系統における電路の保護、電力の制御、設備の監視などを図るために用いられる。このような用途は一例であり、操作機構の用途もこれに限定されない。

（第１の実施形態）
図１および図２には、第１の実施形態に係る操作機構１を含む真空遮断器Ｘの概略的な構成を示す。図１は、操作機構１が電極２２を開路した状態を示す模式図である。図２は、操作機構１が電極２２を閉路した状態を示す模式図である。

図１および図２に示すように、真空遮断器Ｘは、操作機構１に加えて、真空バルブ２と連結機構３を含んで構成されている。
真空バルブ２は、絶縁容器２１と、絶縁容器２１に収容された電極２２とを備えている。絶縁容器２１は、例えばセラミックなどの絶縁材で筒状に構成され、筒軸方向の両端が封着金具で閉塞されている。

電極２２は、その位置が変動しない（変位しない）固定電極２２ａと、固定電極２２ａに対して変位する可動電極２２ｂが一対をなして構成されている。電極２２は、導電材、例えば銅、アルミニウム、クロムなどで形成可能であるが、これらに限定されない。可動電極２２ｂは、固定電極２２ａに対して離接可能に変位（図１および図２では上下動）する。これにより、固定電極２２ａと可動電極２２ｂとが開路状態と閉路状態に遷移される。開路状態は、固定電極２２ａと可動電極２２ｂが分離してこれらの間が絶縁された状態である。開路状態には、固定電極２２ａと可動電極２２ｂが接触して形成される回路の遮断状態や断路状態が含まれる。閉路状態は、電極２２ａ，２２ｂが接触し、これらの電極２２ａ，２２ｂを含む回路が導電した状態である。

固定電極２２ａには第１の通電軸２３ａが接続され、可動電極２２ｂには第２の通電軸２３ｂが接続されている。第１の通電軸２３ａおよび第２の通電軸２３ｂは、導電材、例えば銅、アルミニウム、クロムなどで形成可能であるが、これらに限定されない。第１の通電軸２３ａおよび第２の通電軸２３ｂは、いずれも絶縁容器２１の軸芯Ｃと同軸状に伸びている。第２の通電軸２３ｂには、第２の通電軸２３ｂを軸芯Ｃの伸長方向（以下、軸芯方向という）へ進退可能に支持するベローズ２４が取り付けられている。ベローズ２４は、軸芯方向へ伸縮可能な蛇腹状に構成されている。

第２の通電軸２３ｂは、絶縁容器２１の外部へ突出した部分が連結機構３を介して操作機構１に接続されており、操作機構１によって動作されることで、軸芯方向へ進退（図１および図２では上下動）する。これにより、可動電極２２ｂが固定電極２２ａに対して離接するように変位し、電極２２ａ，２２ｂが開路状態と閉路状態に遷移する。

連結機構３は、第１の弾性体３１と、フォルダ３２と、第２の弾性体３３とを備えている。

第１の弾性体（以下、ワイプばねという）３１は、例えば圧縮コイルばねなどであり、伸縮（弾性変形）可能にフォルダ３２に収容されている。ワイプばね３１は、軸芯方向の一端（図１および図２では下端）を後述するフォルダ３２の底部３２ａに接触させ、他端（図１および図２にでは上端）を支持体３４と接触させている。支持体３４は、第２の通電軸２３ｂと連結された支持軸３５を有している。これにより、ワイプばね３１は、フォルダ３２の底部３２ａと支持体３４との間に挟まれた状態で軸芯方向に伸縮し、支持軸３５を介して第２の通電軸２３ｂを軸芯方向へ進退させる。電極２２ａ，２２ｂの閉路状態電極において、ワイプばね３１は、後述する操作機構１の操作軸１３に押圧方向（図１および図２では下方向）の力をフォルダ３２を介して作用させる。

フォルダ３２は、底部３２ａと、側壁部３２ｂと、天部３２ｃを備え、軸芯Ｃと同軸の有底筒状に構成されている。底部３２ａは、フォルダ３２におけるワイプばね３１と接触してワイプばね３１を支持する部分である。また、底部３２ａは、後述する操作機構１の操作軸１３と連結する部分であり、操作軸１３との連結軸３６を有している。連結軸３６は、開路ばね３３が配置される板状の台座部３７を有している。側壁部３２ｂは、底部３２ａの周縁から全周に亘ってもしくは間欠的に軸芯方向に沿って起立している。天部３２ｃは、軸芯Ｃと同心の開口３２ｄを有しており、開口３２ｄから支持軸３５をフォルダ３２の外部（図１および図２では上部）へ露出させる。開口３２ｄの周縁部は、ワイプばね３１が最も伸長した状態で支持体３４と当接する。図１に示すように、ワイプばね３１が最も伸長し、天部３２ｃ（開口３２ｄの周縁部）が支持体３４と当接した状態は、電極２２ａ，２２ｂの開路状態に相当する。これに対し、図２に示すように、ワイプばね３１が収縮し、天部３２ｃが支持体３４と離間した状態は、電極２２ａ，２２ｂの閉路状態に相当する。

第２の弾性体（以下、開路ばねという）３３は、例えば圧縮コイルばねなどであり、伸縮（弾性変形）可能に台座部３７に取り付けられている。開路ばね３３は、軸芯方向に伸縮（弾性変形）し、台座部３７を介して連結軸３６および底部３２ａを軸芯方向へ進退させる。図１に示すように、開路ばね３３が伸長した状態は、電極２２ａ，２２ｂの開路状態に相当する。これに対し、図２に示すように、開路ばね３３が収縮した状態は、電極２２ａ，２２ｂの閉路状態に相当する。閉路状態において、開路ばね３３は、後述する操作機構１の操作軸１３に押圧方向（図１および図２では下方向）の力を台座部３７を介して作用させる。

操作機構１は、ヨーク１１と、アーマチャ１２と、操作軸１３と、磁石１４と、コイル１５と、磁気抵抗体１６とを備えている。

ヨーク１１は、操作機構１の外郭をなす部材であり、空気よりも透磁率の高い磁性材、例えば鉄、電磁鋼板などで構成されている。空気の比透磁率は１、鉄の比透磁率は６０００から８０００程度である。ただし、ヨーク１１の素材はこれらに限定されない。ヨーク１１は、天部１１ａと、側壁部１１ｂと、鉄心部１１ｃを備え、軸芯Ｃと同軸の有底筒状に構成されている。

天部１１ａは、フォルダ３２の底部３２ａと正対するように位置付けられている。天部１１ａは、操作軸１３を軸芯方向へ進退可能に挿通する貫通孔１１ｄを有している。貫通孔１１ｄの中心軸は、軸芯Ｃとほぼ一致している。貫通孔１１ｄの差渡し寸法（孔径）は、操作軸１３の軸径よりも大きい。

側壁部１１ｂは、天部１１ａの周縁から全周に亘って軸芯方向に沿って垂下している。側壁部１１ｂは、コイル１５を支持する支持部１１ｅを有している。本実施形態において、側壁部１１ｂは、二つの支持部１１１ｅ，１１２ｅを有し、これらの支持部１１１ｅ，１１２ｅで軸芯方向に挟み込むようにコイル１５を支持している。

第１の支持部１１１ｅは、軸芯方向において第２の支持部１１２ｅよりも天部１１ａ寄りに位置し、側壁部１１ｂの内周の一部を縮径させるように突出している。突出する第１の支持部１１１ｅの端面１１ｆは、磁気抵抗体１６を支持する支持面とされている。第２の支持部１１２ｅは、側壁部１１ｂの内周の一部を第１の支持部１１１ｅよりも縮径させるように突出している。第２の支持部１１２ｅは、アーマチャ１２と当接可能な面（以下、第１の当接面という）１１ｇを有している。図１および図２に示す例では、第１の当接面１１ｇは、軸芯方向とほぼ直交する円環状の平坦面である。ただし、第１の当接面１１ｇの形態はこれに限定されない。突出する第２の支持部１１２ｅの端面１１ｈは、アーマチャ１２と所定間隔をあけて対向する対向面とされている。

鉄心部１１ｃは、軸芯方向に沿って伸長する筒状に構成され、磁石１４を介して天部１１ａに固定されている。鉄心部１１ｃは、磁石１４に例えば接着剤によって固定されている。ただし、固定方法はこれに限定されない。鉄心部１１ｃの内周側は、貫通孔１１ｄと連通している。鉄心部１１ｃの内周側の差渡し寸法（筒径）は、貫通孔１１ｄの孔径とほぼ一致している。換言すれば、鉄心部１１ｃは、天部１１ａの一部として貫通孔１１ｄを構成している。鉄心部１１ｃの外周面１１ｉは、第１の支持部１１１ｅおよびコイル１５と所定間隔をあけて対向する対向面とされている。鉄心部１１ｃは、アーマチャ１２と当接可能な当接面（第１の面。以下、第２の当接面という）１１ｊを有している。第２の当接面１１ｊは、鉄心部１１ｃの軸芯方向の一方、具体的には磁石１４との固定側とは反対側の端面である。本実施形態において、第１の当接面１１ｇおよび第２の当接面１１ｊは、いずれもアーマチャ１２と離接する面（第１の面）である。

アーマチャ１２は、ヨーク１１に対して軸芯方向へ進退可能な部材であり、空気よりも透磁率の高い磁性材、例えば鉄、電磁鋼板などで構成されている。アーマチャ１２の素材は、ヨーク１１と同一であってもよいし、異なっていてもよい。アーマチャ１２は、軸支部１２ａとフランジ部１２ｂを備えている。

軸支部１２ａは、軸芯方向に沿って伸長する筒状に構成され、筒内に操作軸１３が固着されている。軸支部１２ａの中心軸は、軸芯Ｃとほぼ一致している。アーマチャ１２は、軸支部１２ａに固着された操作軸１３とともに、ヨーク１１に対して軸芯方向へ進退する。軸支部１２ａは、ヨーク１１、具体的には第２の当接面１１ｊと当接可能な面（以下、第３の当接面という）１２ｃを有している。第３の当接面１２ｃは、軸支部１２ａの軸芯方向の一方、具体的にはフランジ部１２ｂとの連続側とは反対側の端面である。

フランジ部１２ｂは、第３の当接面１２ｃとは反対側の端面を拡張するように、軸支部１２ａの外周の一部を拡径させるように突出している。突出するフランジ部１２ｂの端面１２ｄは、側壁部１１ｂと所定間隔をあけて対向する対向面とされている。フランジ部１２ｂは、ヨーク１１、具体的には第１の当接面１１ｇと当接可能な面（以下、第４の当接面という）１２ｅを有している。第４の当接面１２ｅは、フランジ部１２ｂの軸芯方向の一方の端面である。本実施形態において、第３の当接面１２ｃおよび第４の当接面１２ｅは、いずれもヨーク１１と離接する面（第２の面）である。

図１に示すように電極２２ａ，２２ｂの開路状態において、第３の当接面１２ｃは第２の当接面１１ｊと離間し、第４の当接面１２ｅは第１の当接面１１ｇと離間する。これに対し、図２に示すように、電極２２ａ，２２ｂの閉路状態において、第３の当接面１２ｃは第２の当接面１１ｊと当接し、第４の当接面１２ｅは、第１の当接面１１ｇと当接する。

操作軸１３は、軸芯Ｃと同軸状に伸長している。操作軸１３は、一部分（以下、固定部という）１３ａが軸支部１２ａに固着され、アーマチャ１２と一体化されている。これにより、操作軸１３は、アーマチャ１２とともにヨーク１１に対して軸芯方向へ進退可能に構成されている。また、操作軸１３は、固定部１３ａ以外の部分（以下、挿通部という）１３ｂがヨーク１１（天部１１ａおよび鉄心部１１ｃ）の貫通孔１１ｄに挿通されている。貫通孔１１ｄの差渡し寸法（孔径）は操作軸１３（挿通部１３ｂ）の軸径よりも大きいため、挿通部１３ｂは、貫通孔１１ｄの中で軸芯方向に進退（図１および図２では上下動）可能となっている。挿通部１３ｂの先端部１３ｃは、連結軸３６と連結されている。先端部１３ｃは、挿通部１３ｂが固定部１３ａと連続する側とは反対側の端部である。これにより、操作軸１３は、連結機構３および第２の通電軸２３ｂを介して可動電極２２ｂと連結される。

磁石１４は、軸芯Ｃとほぼ同心の円環状に構成され、ヨーク１１の天部１１ａと鉄心部１１ｃとの間に介在している。磁石１４は、端面１４ａが鉄心部１１ｃに、端面１４ｂが天部１１ａに、例えば接着剤によってそれぞれ固定されている。ただし、固定方法はこれに限定されない。

磁石１４は、例えばフェライト磁石やネオジム磁石などの永久磁石であり、軸芯方向の両端面１４ａ，１４ｂを通るような磁束を発生する。本実施形態において、磁石１４は、端面１４ａから端面１４ｂへ、つまり鉄心部１１ｃ側から天部１１ａ側へ抜ける磁束を生ずる。かかる磁束は、第１の面である第１の当接面１１ｇおよび第２の当接面１１ｊを含むヨーク１１と、第２の面である第３の当接面１２ｃおよび第４の当接面１２ｅを含むアーマチャ１２とを通る磁束（第１の磁束）を含む。

磁石１４は、かかる磁束により、ヨーク１１に対するアーマチャ１２の位置を保持する。本実施形態において、図２に示すような電極２２ａ，２２ｂの閉路状態では、磁石１４の磁束により得られる磁力によって、ヨーク１１に対するアーマチャ１２の位置が保持されている（詳細は後述）。磁石１４の磁力、換言すれば磁石１４がアーマチャ１２の位置を保持する力は、ワイプばね３１および開路ばね３３が操作機構１の操作軸１３を押圧する力よりも大きい。磁石１４の磁力がかかる押圧力に抗して作用することで、ヨーク１１に対するアーマチャ１２の位置が保持される。

磁石１４は、軸芯Ｃとほぼ同心の貫通孔１４ｃを有している。貫通孔１４ｃの差渡し寸法（孔径）は、貫通孔１１ｄの差渡し寸法（孔径）とほぼ同一であり、これらの貫通孔１４ｃ，１１ｄは互いに連通している。したがって、貫通孔１４ｃには、操作軸１３の挿通部１３ｂが軸芯方向に進退可能に挿通される。

コイル１５は、通電されることで、例えば磁石１４によって生ずる磁束を増減させ、電極２２ａ，２２ｂを離接（開閉）させる磁束を発生する。かかる磁束は、第１の面である第１の当接面１１ｇおよび第２の当接面１１ｊを含むヨーク１１と、第２の面である第３の当接面１２ｃおよび第４の当接面１２ｅを含むアーマチャ１２とを通り、磁石１４を避けて通る磁束（第２の磁束）を含む。

コイル１５は、軸芯Ｃとほぼ同心の円環状に構成され、開路コイル１５ａと閉路コイル１５ｂを含んで構成されている。開路コイル１５ａは、電極２２ａ，２２ｂを開路状態とするための磁束を生ずる。閉路コイル１５ｂは、電極２２ａ，２２ｂを閉路状態とするための磁束を生ずる。開路コイル１５ａは第１の支持部１１１ｅによって支持され、閉路コイル１５ｂは第２の支持部１１２ｅによって支持されている。これら支持部１１１ｅ，１１２ｅに支持された状態で、開路コイル１５ａと閉路コイル１５ｂは、軸芯方向に沿って並んで配置される。

磁気抵抗体１６は、磁石１４よりも磁気抵抗が低い部材である。例えば、磁気抵抗体１６は、樹脂、ステンレスなどの非磁性材料で構成されている。磁気抵抗は、素材の透磁率、面積、厚さに依存する。したがって、樹脂やステンレスなどの非磁性材料の他、磁石１４と透磁率がほぼ同程度の素材である場合、磁気抵抗体１６は、面積（Ａ）に対する厚さ（Ｔ）の割合（Ｔ／Ａ）が磁石１４よりも小さくなるような形態であればよい。図３に示すように、面積（Ａ）は、図３に示す面Ｓのように、磁束（Ｍ）が垂直に貫く面、換言すれば磁束の通過方向が法線方向に沿う面の面積である。厚さ（Ｔ）は、図３にＤで示す寸法のように、磁束（Ｍ）が通過する方向の寸法、換言すれば磁束が通過する面間の距離である。磁石１４においても、同様に面積（Ａ）および厚さ（Ｔ）が規定される。

また、磁気抵抗体１６は、磁性材料を混在させた樹脂など、ヨーク１１およびアーマチャ１２よりも透磁率が低い磁性材料で構成してもよい。この場合、磁気抵抗体１６は、透磁率（Ｐ）に、面積（Ａ）に対する厚さ（Ｔ）の割合を掛けた値（Ｐ×Ｔ／Ａ）が磁石１４よりも小さくなるような形態であればよい。

さらに、磁気抵抗体１６は、図４に示すような空間（空気）であってもよい。図４に示す例は、図１および図２に示す磁気抵抗体１６を省略してその分の空間を生じさせた形態である。空気は、磁石１４とほぼ透磁率が同程度（比透磁率が１）であるので、磁気抵抗体１６は、面積（Ａ）に対する厚さ（Ｔ）の割合（Ｔ／Ａ）が磁石１４よりも小さくなるような空間であればよい。

磁気抵抗体１６は、軸芯Ｃとほぼ同心の円環状に構成されている。本実施形態において、磁気抵抗体１６は、コイル１５（開路コイル１５ａおよび閉路コイル１５ｂ）と互いに異なる形状の円環状に構成され、ほぼ同心状に配置されている。図１および図２に示すように、磁気抵抗体１６は、第１の周面１６ａが開路コイル１５ａの第１の周面１５ｃおよび閉路コイル１５ｂの第１の周面１５ｄよりも軸芯Ｃ（操作軸１３）に対して動径方向（放射方向）へ近づく（軸芯Ｃ側へ寄る）ように配置されている。すなわち、第１の周面１６ａは、第１の周面１５ｃおよび第１の周面１５ｄと面一とはならず、軸芯Ｃ寄りにずれて位置付けられている。第１の周面１６ａは、磁気抵抗体１６の周面のうち、軸芯Ｃからより離れた周面（図１および図２では外周面）である。同様に、第１の周面１５ｃ，１５ｄは、開路コイル１５ａおよび閉路コイル１５ｂの周面のうち、軸芯Ｃからより離れた周面（図１および図２では外周面）である。したがって、磁気抵抗体１６の外径寸法は、開路コイル１５ａおよび閉路コイル１５ｂの外径寸法よりも小さい。

このように構成される磁気抵抗体１６は、磁石１４とコイル１５の間の空間において、軸芯方向に対して磁石１４からずれて配置されている。磁石１４とコイル１５の間の空間は、磁石１４とコイル１５とを離間させることによって形成されている。換言すれば、磁気抵抗体１６は、コイル１５（開路コイル１５ａもしくは閉路コイル１５ｂ）によって形成される磁気回路において、磁石１４と磁気的に並列となる位置に配置されている。なお、磁気抵抗体１６は、開路コイル１５ａ、閉路コイル１５ｂ、磁石１４を支持し、位置決めするための部材を兼ねていてもよい。

本実施形態において、電極２２ａ，２２ｂを開路状態から閉路状態とする際の操作機構１の閉路動作について説明する。図５から図７には、閉路動作時における操作機構１の動作態様をそれぞれ模式的に示す。図５は、閉路動作の開始時の動作態様を模式的に示す図である。図６は、閉路動作中の動作態様を模式的に示す図である。図７は、閉路動作の終了時における操作機構１の動作態様を示す図である。

図５に示す閉路動作の開始時において、電極２２ａ，２２ｂは開路状態となっている。かかる開路状態から閉路コイル１５ｂが通電されて励磁し、矢印Ｍ１で示すような磁束（以下、磁束Ｍ１という）が発生する。磁束Ｍ１の向きは、磁石１４が発生させる磁束と同じ向きである。この場合、ヨーク１１およびアーマチャ１２の間には、第１のエアギャップＡＧ１と第２のエアギャップＡＧ２が生じている。第１のエアギャップＡＧ１は、第１の当接面１１ｇと第４の当接面１２ｅとの間の空間である。第２のエアギャップＡＧ２は、第２の当接面１１ｊと第３の当接面１２ｃとの間の空間である。軸芯方向において、第１のエアギャップＡＧ１の長さと第２のエアギャップＡＧ２の長さは、ほぼ一致している。第１のエアギャップＡＧ１の長さは、第１の当接面１１ｇと第４の当接面１２ｅとの離間距離である。第２のエアギャップＡＧ２の長さは、第２の当接面１１ｊと第３の当接面１２ｃとの間の離間距離である。

磁気抵抗は、ヨーク１１（Ｒ１１）およびアーマチャ１２（Ｒ１２）よりも磁気抵抗体１６（Ｒ１６）の方が格段に大きい。また、磁気抵抗は、磁気抵抗体１６（Ｒ１６）よりも磁石１４（Ｒ１４）、第１のエアギャップＡＧ１（ＲＡＧ１）、および第２のエアギャップＡＧ２（ＲＡＧ２）の方が大きい。すなわち、磁気抵抗の大小関係は、Ｒ１１，Ｒ１２≪Ｒ１６＜Ｒ１４，ＲＡＧ１，ＲＡＧ２となる。したがって、磁束Ｍ１は、磁気抵抗の小さいヨーク１１、アーマチャ１２、および磁気抵抗体１６を、第２のエアギャップＡＧ２（換言すれば、第２の当接面１１ｊおよび第３の当接面１２ｃ）を経由して通る。一方で、磁束Ｍ１は、磁気抵抗の大きい磁石１４および第１のエアギャップＡＧ１（換言すれば、第１の当接面１１ｇおよび第４の当接面１２ｅ）を通らない。磁束Ｍ１は、第１のエアギャップＡＧ１および第２のエアギャップＡＧ２を狭めるような磁力を生じさせる。

磁束Ｍ１により生ずる磁力によってエアギャップＡＧ１，ＡＧ２が狭められ始めると、図６に示す閉路動作中のように、磁石１４は、破線の矢印Ｍ２で示すような磁束（以下、磁束Ｍ２という）を発生させる。磁束Ｍ２は、ヨーク１１およびアーマチャ１２を、第２のエアギャップＡＧ２（換言すれば、第２の当接面１１ｊおよび第３の当接面１２ｃ）を経由して通る。一方で、磁束Ｍ２は、ヨーク１１およびアーマチャ１２よりも磁気抵抗の大きい第１のエアギャップＡＧ１（換言すれば、第１の当接面１１ｇおよび第４の当接面１２ｅ）を通らない。磁束Ｍ２は、第１のエアギャップＡＧ１および第２のエアギャップＡＧ２を狭めるような磁力を生じさせる。磁束Ｍ２と磁束Ｍ１は同じ向きであり、磁束Ｍ２に磁束Ｍ１が付加された状態となっている。これにより、磁束Ｍ１，Ｍ２の双方により生じる磁力が第１のエアギャップＡＧ１および第２のエアギャップＡＧ２を狭める方向に作用する。かかる磁力は、エアギャップＡＧ１，ＡＧ２が狭まるほど該エアギャップＡＧ１，ＡＧ２の磁気抵抗が低下するため、大きくなる。

図７に示す閉路動作の終了時において、第１のエアギャップＡＧ１は、ほぼ完全に狭められ、第１の当接面１１ｇと第４の当接面１２ｅとがほぼ密着した状態となっている。同様に、第２のエアギャップＡＧ２は、ほぼ完全に狭められ、第２の当接面１１ｊと第３の当接面１２ｃとがほぼ密着した状態となっている。このようにエアギャップＡＧ１，ＡＧ２が狭められると、アーマチャ１２がその分だけヨーク１１に対して真空バルブ２に近づく方向へ変位する。これにより、図７に示す例では、操作軸１３が押し上げられる。操作軸１３が押し上げられることで、連結機構３を介して可動電極２２ｂが固定電極２２ａに近づくように変位し、これらの電極２２ａ，２２ｂが接触して閉路状態となる。この状態では、閉路コイル１５ｂの通電が停止され磁束Ｍ１が消失し、図７に示すように磁石１４による磁束Ｍ２のみが生じている。磁束Ｍ２により生じる磁石１４の磁力は、ワイプばね３１および開路ばね３３が操作機構１の操作軸１３を押圧する力よりも大きいため、これに抗して作用する。これにより、閉路状態では、ヨーク１１に対するアーマチャ１２の位置が磁石１４の磁力によって保持される。

電極２２ａ，２２ｂの閉路状態においては、第１の当接面１１ｇと第４の当接面１２ｅがほぼ密着するとともに、第２の当接面１１ｊと第３の当接面１２ｃとがほぼ密着した状態となっている。すなわち、第１のエアギャップＡＧ１および第２のエアギャップＡＧ２は、ほぼ完全に狭められて存在しない状態となっている。したがって、磁石１４の端面１４ａから端面１４ｂに至る磁路は、ヨーク１１とアーマチャ１２で閉ループを形成可能となる。このため、かかる閉ループの磁気抵抗は、ヨーク１１とアーマチャ１２の磁気抵抗と同等であり、磁気抵抗体１６の磁気抵抗よりも低い。換言すれば、かかる閉ループと比較した場合、磁気抵抗体１６の磁気抵抗の方が高くなる。

したがって、図７に示すように、磁石１４の磁束Ｍ２は、磁気抵抗体１６を通らず、ヨーク１１およびアーマチャ１２を通る。ヨーク１１には、第１の当接面１１ｇおよび第２の当接面１１ｊが含まれる。アーマチャ１２には、第３の当接面１２ｃおよび第４の当接面１２ｅが含まれる。このため、磁束Ｍ２は、ほぼすべてが第１の当接面１１ｇと第４の当接面１２ｅとの間および第２の当接面１１ｊと第３の当接面１２ｃとの間を通る。

ヨーク１１に対するアーマチャ１２の位置を保持する力である磁石１４の磁力は、第１の当接面１１ｇと第４の当接面１２ｅとの間、および第２の当接面１１ｊと第３の当接面１２ｃとの間で発生する。このため、これらの当接面間に磁束Ｍ２のほぼすべてを通過可能とすることで、磁束Ｍ２によって発生する磁力をアーマチャ１２の保持力として有効に活用できる。

次に、電極２２ａ，２２ｂを閉路状態から開路状態とする際の操作機構１の開路動作について説明する。図８から図１０には、開路動作時における操作機構１の動作態様をそれぞれ模式的に示す。図８は、開路動作の開始時の動作態様を模式的に示す図である。図９は、開路動作中の動作態様を模式的に示す図である。図１０は、開路動作の終了時における操作機構１の動作態様を示す図である。

図８に示す開路動作の開始時において、電極２２ａ，２２ｂは閉路状態となっている。かかる閉路状態から開路コイル１５ａが通電されて励磁し、矢印Ｍ３で示すような磁束（以下、磁束Ｍ３という）が発生する。磁束Ｍ３の向きは、磁石１４が発生させる磁束Ｍ２と逆向きである。すなわち、開路コイル１５ａは、磁石１４の磁束Ｍ２を打ち消す磁束Ｍ３を発生させる。磁束Ｍ３は、磁気抵抗の大きい磁石１４を通らず、磁気抵抗の小さいヨーク１１、アーマチャ１２、および磁気抵抗体１６を通る。ヨーク１１には、第１の当接面１１ｇおよび第２の当接面１１ｊが含まれる。アーマチャ１２には、第３の当接面１２ｃおよび第４の当接面１２ｅが含まれる。磁束Ｍ３は、第１のエアギャップＡＧ１および第２のエアギャップＡＧ２を広げるような磁力を生じさせる。換言すれば、磁束Ｍ３により生ずる磁力は、磁石１４の磁力を打ち消すように作用する。

このように磁石１４の磁束Ｍ２を打ち消す磁束Ｍ３が発生すると、磁石１４の磁力が磁束Ｍ３により生ずる磁力によって打ち消され、小さくなる。そして、ワイプばね３１および開路ばね３３が操作機構１の操作軸１３を押圧する力よりも磁石１４の磁力が小さくなると、図９に示すように、第１のエアギャップＡＧ１が徐々に広げられ、第１の当接面１１ｇと第４の当接面１２ｅとが離間し始める。同様に、第２のエアギャップＡＧ２が徐々に広げられ、第２の当接面１１ｊと第３の当接面１２ｃとが離間し始める。

図１０に示す開路動作の終了時において、第１のエアギャップＡＧ１は、さらに広げられ、第１の当接面１１ｇと第４の当接面１２ｅとが最大限まで離間した状態となっている。同様に、第２のエアギャップＡＧ２は、さらに広げられ、第２の当接面１１ｊと第３の当接面１２ｃとが最大限まで離間した状態となっている。このような状態では、磁束Ｍ３によって磁束Ｍ２がほぼ打ち消され、磁石１４の磁力は磁束Ｍ３により生ずる磁力とほぼ相殺される。このようにエアギャップＡＧ１，ＡＧ２が広げられると、アーマチャ１２がその分だけヨーク１１に対して真空バルブ２から遠ざかる方向へ変位する。これにより、図１０に示す例では、操作軸１３が押し下げられる。操作軸１３が押し下げられることで、連結機構３を介して可動電極２２ｂが固定電極２２ａから遠ざかるように変位し、これらの電極２２ａ，２２ｂが離間して開路状態となる。この状態では、開路コイル１５ａの通電が停止され磁束Ｍ３が消失し、ワイプばね３１および開路ばね３３が操作機構１の操作軸１３を押圧する力が作用する。これにより、開路状態では、かかる押圧力によってヨーク１１に対するアーマチャ１２の位置が保持される。なお、アーマチャ１２の位置は、ストッパ（図示省略）によってそれ以上の変位が制限されている。

このように本実施形態によれば、磁石１４よりも磁気抵抗が低い磁気抵抗体１６を備えることで、コイル１５（開路コイル１５ａおよび閉路コイル１５ｂ）により生じる磁束Ｍ１，Ｍ３が磁石１４を通らず、磁気抵抗体１６を通る磁路にできる。このため、従来のようにコイルにより生じる磁束が磁石１４を通る場合と比べて、コイル１５に生じさせる起磁力を抑えることができる。すなわち、より小さな起磁力で、電極２２ａ，２２ｂを閉路状態および開路状態とするために必要な磁束Ｍ１，Ｍ３を生じさせることができる。したがって、例えばコイル１５の巻き数の減少、コイル１５の通電電流の低下などを図ることが可能となる。

また、磁気抵抗体１６は、コイル１５（開路コイル１５ａおよび閉路コイル１５ｂ）と互いに異なる形状の円環状に構成され、軸芯Ｃとほぼ同心状に配置されている。このように配置された磁気抵抗体１６の外径寸法は、開路コイル１５ａおよび閉路コイル１５ｂの外径寸法よりも小さい。磁気抵抗体１６をこのような形態とすることで、ヨーク１１の側壁部１１ｂの内周の一部を縮径させ、第１の支持部１１１ｅを側壁部１１ｂの内周に対して突出させることができる。このため、磁気抵抗体１６を設けた場合であっても、ヨーク１１の外形寸法を拡大せずに側壁部１１ｂの肉厚を確保でき、操作機構１の機械的な強度を向上できる。

上述した本実施形態に係る磁気抵抗体１６の形態および配置は一例に過ぎず、これに限定されない。以下、磁気抵抗体の形態および配置を異ならせた実施形態について説明する。なお、これらの実施形態において、真空遮断器における操作機構以外の真空バルブおよび連結機構の構成は、第１の実施形態（図１および図２）と同等である。また、以下では、磁気抵抗体１６の形態および配置の相違点について説明し、第１の実施形態に係る操作機構１と同等の構成要素については、図面上で同一符号を付して説明を省略化する。

（第２の実施形態）
図１１には、第２の実施形態の操作機構１０の概略構成を模式的に示す。第２の実施形態において、磁気抵抗体１６１は、第２の周面１６ｂが開路コイル１５ａの第２の周面１５ｅおよび閉路コイル１５ｂの第２の周面１５ｆよりも軸芯Ｃ（操作軸１３）に対して動径方向（放射方向）へ遠ざかるように配置されている。すなわち、第２の周面１６ｂは、第２の周面１５ｅおよび第２の周面１５ｆと面一とはならず、これらよりも軸芯Ｃから離れて位置付けられている。第２の周面１６ｂは、磁気抵抗体１６１の周面のうち、軸芯Ｃ寄りの周面（図１１では内周面）である。同様に、第２の周面１５ｅ，１５ｆは、開路コイル１５ａおよび閉路コイル１５ｂの周面のうち、軸芯Ｃ寄りの周面（図１１では内周面）である。したがって、磁気抵抗体１６１の内径寸法は、開路コイル１５ａおよび閉路コイル１５ｂの内径寸法よりも大きい。このように、磁気抵抗体１６１は、コイル１５（開路コイル１５ａおよび閉路コイル１５ｂ）と互いに異なる形状の円環状に構成され、軸芯Ｃとほぼ同心状に配置されている。

本実施形態において、側壁部１１ｂは、第１の支持部１１１ｅに相当する支持部１１ｅを有していない。これに代えて、鉄心部１１ｃがコイル１５を支持する支持部１１ｋを有している。支持部１１ｋは、鉄心部１１ｃの外周の一部を拡径させるように突出している。突出する支持部１１ｋの端面１１ｌは、磁気抵抗体１６１を支持する支持面とされている。これにより、コイル１５（開路コイル１５ａおよび閉路コイル１５ｂ）は、支持部１１ｋ，１１２ｅで軸芯方向に挟み込むように支持される。磁気抵抗体１６１は、側壁部１１ｂと支持部１１ｋで軸芯方向と直交する方向（径方向）に挟み込むように支持される。

磁石１４１は、天部１１ａと支持部１１ｋとの間に介在している。磁石１４１は、端面１４ｄが支持部１１ｋに、端面１４ｅが天部１１ａに、例えば接着剤によってそれぞれ固定されている。ただし、固定方法はこれに限定されない。

本実施形態によれば、磁気抵抗体１６１を端面１１ｌで支持するべく支持部１１ｋが鉄心部１１ｃの外周から突出する分だけ、支持部１１ｋにおける磁石１４１の支持部位（支持面）、換言すれば、鉄心部１１ｃの端面１１ｍを拡大できる。端面１１ｍは、軸芯方向における第２の当接面１１ｊとは反対側の端面である。したがって、端面１１ｍの拡大に応じて、磁石１４１を径方向に拡大させることが可能となる。例えば、第１の実施形態に係る磁石１４よりも磁石１４１のサイズを大型化しやすくなり、体積当たりに発生する磁束が少ない永久磁石を適用可能となる。

（第３の実施形態）
図１２には、第３の実施形態の操作機構１００の概略構成を模式的に示す。第３の実施形態において、磁気抵抗体１６２は、天部１１ａと鉄心部１１ｃとの間に介在し、軸芯方向と直交する方向（径方向）に磁石１４２と並んで配置されている。磁気抵抗体１６２は、端面１６ｃが鉄心部１１ｃに、端面１６ｄが天部１１ａに、例えば接着剤によってそれぞれ固定されている。ただし、固定方法はこれに限定されない。図１２に示す例では、磁気抵抗体１６２は、第２の周面１６ｂを磁石１４２の第１の周面１４ｆと接触させている。第１の周面１４ｆは、磁石１４２の周面のうち、軸芯Ｃからより離れた周面（図１２では外周面）である。これにより、磁気抵抗体１６２と磁石１４２は、相互に支持することで位置決めされている。

本実施形態において、側壁部１１ｂは、第１の支持部１１１ｅに相当する支持部１１ｅを有していない。また、鉄心部１１ｃは、支持部１１ｋに相当する部分を有していない。このように、第１の支持部１１１ｅに相当する支持部１１ｅが省略された分だけ、側壁部１１ｂと鉄心部１１ｃとの間の空間を拡大させることができる。したがって、空間が拡大された分だけ、第１の実施形態や第２の実施形態よりも開路コイル１５ａや閉路コイル１５ｂを適切なサイズまで拡大させやすくなる。すなわち、コイル１５のサイズの自由度を高められる。図１２に示す例では、閉路コイル１５ｂが拡大され、天部１１ａと第２の支持部１１２ｅで軸芯方向に開路コイル１５ａとともに挟み込まれて支持されている。

本実施形態によれば、コイル１５のサイズの自由度が高められるので、より小さな起磁力で、電極２２ａ，２２ｂを閉路状態および開路状態とするために必要な磁束Ｍ１，Ｍ３を生じさせやすくなる。

以上、本発明のいくつかの実施形態（変形例を含む）を説明したが、上述した各実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、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ともに、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。

１，１０，１００…操作機構、２…真空バルブ、３…連結機構、１１…ヨーク、１１ａ…天部、１１ｂ…側壁部、１１ｃ…鉄心部、１１ｄ…貫通孔、１１ｅ…支持部、１１ｆ…端面、１１ｇ…第１の当接面、１１ｈ…端面、１１ｉ…外周面、１１ｊ…第２の当接面、１１ｋ…支持部、１１ｌ…端面、１１ｍ…端面、１２…アーマチャ、１２ａ…軸支部、１２ｂ…フランジ部、１２ｃ…第３の当接面、１２ｄ…端面、１２ｄ…第４の当接面、１３…操作軸、１３ａ…固定部、１３ｂ…挿通部、１３ｃ…先端部、１４，１４１，１４２…磁石、１４ａ…端面、１４ｂ…端面、１４ｃ…貫通孔、１４ｄ…端面、１４ｅ…端面、１５…コイル、１５ａ…開路コイル、１５ｂ…閉路コイル、１５ｃ…第１の周面（外周面）、１５ｄ…第１の周面（外周面）、１５ｅ…第２の周面（内周面）、１５ｆ…第２の周面（内周面）、１６，１６１，１６２…磁気抵抗体、１６ａ…第１の周面（外周面）、１６ｂ…第２の周面（内周面）、１６ｃ…端面、１６ｄ…端面、２１…絶縁容器、２２…電極、２２ａ…固定電極、２２ｂ…可動電極、２３ａ…第１の通電軸、２３ｂ…第２の通電軸、２４…ベローズ、３１…第１の弾性体（ワイプばね）、３２…フォルダ、３２ａ…底部、３２ｂ…側壁部、３２ｃ…天部、３３…第２の弾性体（開路ばね）、３４…支持体、３５…支持軸、３６…連結軸、３７…台座部、１１１ｅ…第１の支持部、１１２ｅ…第２の支持部、Ｃ…軸芯、Ｘ…真空遮断器。

Claims (9)

1. 一対の電極を離接させる電磁的な操作機構であって、
   所定の軸芯を取り囲むように連続する筒状のヨークと、
   前記ヨークの第１の面と離接可能な第２の面を有し、前記第２の面を前記第１の面と離接可能に所定方向へ進退するアーマチャと、
   前記軸芯と同心の環状に構成され、前記第１の面を含む前記ヨークと前記第２の面を含む前記アーマチャとを通り、前記ヨークに対する前記アーマチャの位置を保持する第１の磁束を発生する磁石と、
   前記磁石と離間して配置され、前記第１の面を含む前記ヨークと前記第２の面を含む前記アーマチャとを通り、前記磁石を避けて通る第２の磁束を発生するコイルと、
   前記軸芯と同心の環状に構成されて前記軸芯に対して前記磁石よりも外側に配置され、前記所定方向に対して前記磁石からずれて配置され、磁気抵抗が前記磁石よりも低く、前記第２の磁束が通る磁気抵抗体と、を備える
   操作機構。
2. 前記コイルは、一対の前記電極を分離させる前記第２の磁束を発生する開路コイルと、一対の前記電極を接触させる前記第２の磁束を発生する閉路コイルとを含んで構成され、前記開路コイルと前記閉路コイルが前記所定方向に並んで配置され、
   前記ヨークは、前記第１の面を有する鉄心部を備え、
   前記開路コイルと前記閉路コイルとの境界は、前記鉄心部の前記第１の面と前記アーマチャの前記第２の面とが離間した状態において、前記所定方向における前記鉄心部の前記第１の面と前記アーマチャの前記第２の面との間に位置する
   請求項１に記載の操作機構。
3. 前記第１の面と前記第２の面が接触して前記第１の磁束により前記ヨークに対する前記アーマチャの位置が保持された状態で、前記第１の磁束が前記ヨークと前記アーマチャとを通る磁路の磁気抵抗は、前記磁気抵抗体の磁気抵抗よりも低い
   請求項１に記載の操作機構。
4. 前記磁気抵抗体は、非磁性材料で構成されている
   請求項１から３のいずれか一項に記載の操作機構。
5. 前記磁気抵抗体は、空間である
   請求項１から３のいずれか一項に記載の操作機構。
6. 前記磁気抵抗体は、前記ヨークおよび前記アーマチャのいずれよりも透磁率が低い磁性材料で構成されている
   請求項１から３のいずれか一項に記載の操作機構。
7. 前記コイルおよび前記磁気抵抗体は、互いに異なる形状の環状に構成され、同心状に配置されている
   請求項１から６のいずれか一項に記載の操作機構。
8. 前記磁気抵抗体の外径寸法は、前記コイルの外径寸法よりも小さい
   請求項７に記載の操作機構。
9. 前記磁気抵抗体の内径寸法は、前記コイルの内径寸法よりも大きい
   請求項７に記載の操作機構。

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