JPWO2011033654A1 - 釈放形電磁石装置 - Google Patents

Abstract

プランジャ長の短尺化と固定鉄心を追加し、プランジャ径を小さくすることなくプランジャ重量を軽量化する。さらにボビン内でのプランジャの傾斜を削減し、端部ヨーク貫通穴との接触をなくす。プランジャ径を小さくすることなくプランジャ重量を軽量化できるので、鎖交磁束の減少（径縮小）に起因して発生する吸着力の低下や磁気抵抗の増加による釈放動作効率の低減を防止し、プランジャ傾斜を削減することで吸着力および摺動摩擦力のばらつきを抑制し、釈放動作特性を向上する。

Description

本発明は、例えば回路遮断器の引外し装置として用いられる釈放型電磁石装置に関する。

釈放形電磁石装置は、プランジャ、ヨーク、永久磁石、釈放コイルおよび釈放バネ等から構成され、常時、プランジャは釈放バネに打ち勝つ永久磁石の磁力によって固定鉄心あるいはＵ字形ヨークに吸引保持されているタイプのものである。引外し操作時は永久磁石の磁力を弱めるような極性で釈放コイルにトリップ電流が通電され、吸引力が釈放バネの付勢力よりも小さくなると、釈放バネの力によってプランジャはＵ字形ヨークより開離して回路遮断器の引き外し動作を行う。

上記のように回路遮断器に用いられる釈放形電磁石装置は、該遮断器にトリップ指令を送るためのキーパーツであるが、従来の釈放形電磁石装置においては、例えば特許文献１に示すように、固定鉄心がなく、プランジャは釈放コイルおよび／あるいはリング状永久磁石を貫通し、コイル端部に配置されるＵ字形ヨークあるいはポールピースに直接吸着するように配置されるものが知られている。

ところがこの装置では、プランジャが長尺となりそのボリュームが大きくなるので、それに対応した電磁力で駆動する必要があり動作効率を低下させる原因となっていた。またプランジャとＵ字形ヨークあるいはポールピースとの吸着面が、釈放コイルへの通電により発生する磁束密度が最も高い釈放コイル中央部とは遠く離れた位置にあり、その分大きい釈放電流が必要となって動作効率が悪いものとなっていた。

更に特許文献１のものでは、プランジャが工作精度に限界がある成型樹脂で形成されているボビン内を摺動するため、プランジャがボビン内のガタ等により傾斜することで、端部ヨーク貫通穴との接触によるプランジャと端部ヨーク間に発生する摺動摩擦力や磁気吸着力の発生にともなう動作特性の低下という問題があった。

プランジャが端部ヨークへ接触する際、プランジャと端部ヨーク間の空隙が短絡されることでプランジャと端部ヨーク間に磁気吸着力が発生し、この状態において上記摺動摩擦力が最も顕著となる。数値解析による結果では、通常１〜２g程度のプランジャ重量に対し、１００g相当の磁気吸着力が発生し、端部ヨークとプランジャに発生する抗力をN、端部ヨークの摩擦係数をμとすると摩擦力F＝μNの関係となる。これにより、通常の金属接触時の摺動摩擦力に比べて大きな値となり、動作効率の著しい低下の要因となっていた。

一方、例えば油圧弁のスプールを移動させるソレノイド型電磁石として特許文献２に示すようなものが知られている。このソレノイド型電磁石では、固定鉄心と可動鉄心の周囲に、筒状の非磁性体で形成されたパイプを設け、このパイプ内で可動鉄心を摺動させている。このタイプのものでは、金属製のパイプ内に可動鉄心（プランジャ）を摺動させるので摺動摩擦力は低減するが、同一中空径を有するボビンを使用する場合、パイプ挿入によりそのパイプ厚だけ固定鉄心、可動鉄心の直径を小さくせざるを得ず、その分磁気抵抗が増大し、動作効率が低下する問題があった。

また、特許文献２のものは、固定鉄心と可動鉄心との吸着面がコイルの略中央部に位置しているが、釈放バネに打ち勝つ永久磁石の磁力によって常時プランジャを固定鉄心に吸引保持する釈放形電磁石ではなく、永久磁石がない開放型電磁石である。すなわち固定鉄心と可動鉄心とは常時開放状態にありコイル付勢により両者を吸着させるタイプのものであるため、コイル電流が大きくなって動作効率が悪くなり、使用用途が制約されている。

特開２００５-１６６４２９号公報（図１） 特開平１１−６７５３１号公報（図３）

このような釈放形電磁石装置にあっては、永久磁石の保持力のみでプランジャを固定鉄心に吸着し、引外し操作時は永久磁石の磁力を弱めるような極性で釈放コイルにトリップ電流を通電させているため動作効率の高い回路遮断器の引き外し動作を実現できる。しかし、落下等の振動衝撃に対して簡単に誤動作することのないように定常時の吸着力を設定する必要がある。すなわち、大きな衝撃に対しても釈放することなく吸着状態を保持可能にするために吸着力は引き外し方向である釈放バネ力に対し、プランジャ吸着力に余分の荷重マージンを確保する必要がある。この荷重マージンはプランジャ自重の５０〜１００倍の力を必要とする等の製品仕様（例えば加振耐性５０〜１００Gでも誤動作しない等）や動作信頼性から来る要求値に依存する。従って、釈放動作電流値はこの荷重マージンに大きく依存し、例えばプランジャ自重を極力低減することが荷重マージンの低減、動作効率の向上に繋がることは言うまでもない。

更に近年の機器小型化トレンドに呼応して釈放形電磁石装置の小型・高効率化の要求も高まってきており、磁気抵抗の低減化が必要である。したがって磁気抵抗の主要成分である空隙部の縮小が必須であり、端部ヨークとプランジャ間の空隙を可能な限り縮小することで磁気抵抗を低減し、動作効率を向上させることが可能となるが、同空隙を縮小した場合、組立時の製作誤差によりプランジャと端部ヨーク間が一部箇所で密着してしまい、磁気的な吸着力に起因した摩擦力増加により、動作効率が低下するという問題があった。

この発明は、上記した従来装置の技術的課題に鑑みてなされたもので、プランジャ径を小さくすることなくプランジャの短尺化・軽量化を実現し、且つ磁気抵抗増大の伴わないプランジャの摺動摩擦力低減により荷重マージンを低減し、動作効率が高く、釈放特性の安定した回路遮断器の釈放形電磁石装置を得ることを目的とする。

本発明に係る釈放形電磁石装置は、釈放コイルが巻回されたボビンと、上記ボビンの内周部に挿入され互いに対向配置された固定鉄心とプランジャ、上記ボビン、固定鉄心、プランジャを収納するＵ字形ヨークと、上記Ｕ字形ヨークの開口部に上記プランジャの上端部が外部に突出可能に固定された端部ヨークと、上記Ｕ字形ヨークの底部に取り付けられた永久磁石を備え、常時は上記永久磁石により上記端部ヨークに設けられた釈放バネに抗してプランジャを吸引位置に保持しておき、上記釈放コイルへの釈放電流の通流により上記永久磁石に反磁界を与えて上記プランジャの釈放動作を行わせるようにした釈放形電磁石装置において、上記プランジャは上記固定鉄心と対向配置された大径部と、これと連続して一端が外部側へ突出している小径部とから構成され、上記プランジャと固定鉄心の吸着面は、実質的に上記釈放コイルの中央部に位置し、上記ボビンの内周壁とプランジャの大径部との間に、非磁性材からなる筒状のパイプを挿入し、これが上記端部ヨークと固定鉄心との対向端面間で挟持されるように構成したことを特徴とするものである。

この発明によれば、比較的簡単な構成で従来のものに比べ一層動作効率を向上させ、釈放特性の安定した釈放形電磁石装置を得ることができる。

本発明の実施形態１における釈放形電磁石装置の構成断面図である。 本発明の実施形態２における釈放形電磁石装置の構成断面図である。 本発明の実施形態３における端部ヨーク部分の拡大断面図である。 本発明の実施形態１における釈放形電磁石装置の発生磁束分布図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１における釈放形電磁石装置を示す断面図である。
図中、釈放形電磁石装置１は、中空状のボビン２に釈放コイル３が巻線され、Ｕ字形ヨーク４に収納されている。Ｕ字形ヨーク４の開口部には端部ヨーク５が組み合わされ、かしめ等の方法によりＵ字形ヨーク４に固定されている。Ｕ字形ヨーク４の底部にはプランジャ６を吸引保持する厚さ方向に磁化された永久磁石７、永久磁石７の位置決めを行う固定プレート８が配置されている。

永久磁石７の上にはトランスファーヨーク９が設けられ、トランスファーヨーク９上にはボビン２に挿入された状態で固定鉄心１１が載置されている。
トランスファーヨーク９は釈放コイル３からプランジャ６、端部ヨーク５、Ｕ字形ヨーク４、永久磁石７、固定鉄心１１を介して流れる磁束の一部が永久磁石７をバイパスするようにしてその吸着力を微調整するもので周知ものである。

端部ヨーク５上に突出可能に構成されたプランジャ６は、上記固定鉄心１１と対向配置された大径部６aと、これと連続して外部側へ突出している小径部６bとからなっている。端部ヨーク５にはプランジャ６を挿入するための貫通穴５ａを有するフランジ部５bが設けられている。プランジャ６の外側端部にはプランジャ６を突出方向（Ａ方向）に付勢する釈放バネ１０を保持するプレート１３が固定リング１４で固定され、このプレート１３とプランジャの台形部６aとの間にプレートバネ１５が配設されている。

更に、ボビン２の中空内壁とプランジャ６の大径部６aとの間には、非磁性材からなる筒状のパイプ１２が挿入され、しかも端部ヨーク５と固定鉄心１１との対向面間で挟持されている。すなわち、固定鉄心１１はパイプ１２によってトランスファーヨーク９の方向へ押しつけられる状態で挟持固定される構造となっている。

次に、以上のように構成されたこの発明の釈放形電磁石装置の動作について説明する。
先ず、回路遮断器（図示せず）のリセット操作でプランジャ６を図示のリセット位置に押し込む（矢印Ａと反対方向）と、永久磁石７の磁力Ｆｍによりこの位置に吸引保持される。この状態では永久磁石７の磁束φｍはＮ極からトランスファーヨーク９、固定鉄心１１、プランジャ６、端部ヨーク５、Ｕ字形ヨーク４を経由してＳ極に戻る（経路Ｘ）。釈放バネ１０のバネ力をＦｓとすると、プランジャ６はＦｍ−Ｆｓの力で吸着されている。

この状態で、例えば回路遮断器に漏電電流が流れ、これに基いて発生される引き外し信号により釈放コイル３に釈放電流を通電させると、永久磁石７の保持力Ｆｍを打ち消すように磁束φｉが固定鉄心１１、トランスファーヨーク９、Ｕ字形ヨーク４、端部ヨーク５、プランジャ６の経路で流れる（経路Ｙ）。これにより、永久磁石７の保持力Ｆｍが小さくなり、釈放バネ１０のバネ力Ｆｓが永久磁石７の保持力Ｆｍに打ち勝つので、プランジャ６が外部側（矢印Ａ方向）へ突出することとなる。

プランジャ６が突出すると図示しないが回路遮断器のトリップ動作が行われることとなる。本体機構部を開離させるアクチュエータ（図示せず）がプレート１３をＡと反対方向に押し、プランジャ６を固定鉄心１１に吸着させることにより、最初に説明したように釈放形電磁石装置１がリセット動作される。プレート１３はプレートバネ１５によりプランジャ６の中心軸方向に動作可能となっているので、アクチュエータのリセット動作時、アクチュエータがプレート１３を押し込み過ぎてプレート１３を破壊することを防止している。

上記実施の形態１による釈放形電磁石装置においては、パイプ１２を固定鉄心１１と端部ヨーク５で挟み込むことで、プランジャ長を短尺化することができ、磁気抵抗の増加を発生させることなく釈放動作を可能にすることができる。同時に、プランジャは常に工作精度の高い金属性のパイプの中に配置され、摺動摩擦力の低い状態で摺動するので、ガタや製作誤差を低減でき、釈放動作時の固定鉄心１１のガタツキとプランジャと端部ヨーク間の空隙ばらつきを抑制することができる。

ＪＩＳ規格の一般交差は、６mm以下の部材では±０．１mmで規定されている。従って端部ヨークとプランジャ間の空隙は、プランジャとパイプの交差±０．１mmとした際の組立誤差以上の値（集積交差等で規定される値）となるように設定すれば良い。
このように設定することにより、ガタツキによって発生するプランジャの固定鉄心への吸着姿勢の傾斜やずれによる吸着力および摺動摩擦力のばらつきや、プランジャと端部ヨーク間が一部の箇所で密着して磁気的な吸着力に起因する摩擦力の増加も抑制することができ、これによって生じる動作効率の低減を抑制して安定した釈放動作特性を確保することが可能になる。

また、上述したように大きな衝撃に対しても釈放することなく吸着状態を維持可能にするために、吸着力Fmは引き外し方向である釈放バネ力Fsより大きくする必要があるが、上記振動衝撃に対する誤動作防止のためには、上述した部品構成、動作原理のなかで、プランジャを短尺化、軽量化し、プランジャ自重を軽量化させることで荷重マージンを削減し、動作効率を向上させている。更に、図４に示すようにプランジャ短尺化の際、プランジャ６と固定鉄心１１の当接面を、コイルへの通電により発生する磁束Φの密度がもっとも高くなるコイル中央部近傍に配置させることも動作効率の向上に寄与しているのはもちろんである。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２における釈放形電磁石装置を示す断面図である。図中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示している。図２において、図１と異なる部分は、
図１では永久磁石７の上にトランスファーヨーク９が設けられ、トランスファーヨーク９上にはボビン２に挿入された状態で固定鉄心１１が載置されているが、図２では固定鉄心１１がトランスファーヨーク９と一体化したものである。これにより、トランスファーヨークを別途準備する必要がなく、しかも固定鉄心１１の固定が確実且つ容易となるものである。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３における釈放形電磁石装置を示す一部拡大断面図である。図中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示している。図３において、図１と異なる部分は、図１では非磁性パイプ１２が端部ヨーク５と固定鉄心１１との間の対向面間に嵌め込む構造となっているが、図３では端部ヨーク５とボビン２との間にパイプ固定用スペーサ１６を介挿し、これと固定鉄心１１との間に非磁性パイプ１２を挟持する構造となっている。パイプ固定用スペーサ１６は非磁性材料で構成され、図のようにその一部に形成された孔を介してボビン２と嵌め合い固定されている。これにより端部ヨーク５の成型が容易になり製作コストの低減につながる。

１ 釈放形電磁石装置 、 ２ ボビン、
３ 釈放コイル、 ４ Ｕ字形ヨーク、
５ 端部ヨーク、 ５ａ 端部ヨーク貫通穴、
６ プランジャ部、 ６ａ プランジャの大径部、
６ｂ プランジャの小径部、 ７ 永久磁石、
８ 固定プレート、 ９ トランスファーヨーク、
１０ 釈放バネ、 １１ 固定鉄心、
１２ 非磁性パイプ、 １３ プレート、
１４ 固定リング、 １５ プレートバネ、
１６ パイプ固定用スペーサ。

Claims (6)

1. 釈放コイルが巻回されたボビンと、上記ボビンの内周部に挿入され互いに対向配置された固定鉄心とプランジャ、上記ボビン、固定鉄心、プランジャを収納するＵ字形ヨークと、上記Ｕ字形ヨークの開口部に上記プランジャの上端部が外部に突出可能に固定された端部ヨークと、上記Ｕ字形ヨークの底部に取り付けられた永久磁石を備え、常時は上記永久磁石により上記端部ヨークに設けられた釈放バネに抗してプランジャを吸引位置に保持しておき、上記釈放コイルへの釈放電流の通流により上記永久磁石に反磁界を与えて上記プランジャの釈放動作を行わせるようにした釈放形電磁石装置において、上記プランジャは上記固定鉄心と対向配置された大径部と、これと連続して一端が外部側へ突出している小径部とから構成され、上記プランジャと固定鉄心の吸着面は、実質的に上記釈放コイルの中央部に位置し、上記ボビンの内周壁とプランジャの大径部との間に、非磁性材からなる筒状のパイプを挿入し、これが上記端部ヨークと固定鉄心との対向端面間で挟持されるように構成したことを特徴とする釈放形電磁石装置。
2. 上記端部ヨークとボビンとの間にパイプ固定用スペーサを介挿し、これと固定鉄心との間において上記パイプが挟持されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の釈放形電磁石装置。
3. 固定鉄心とプランジャとの吸着面が実質的に釈放コイルの中央部に位置するようにしたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の釈放形電磁石装置。
4. Ｕ字形ヨークの底部にはプランジャを吸引保持する厚さ方向に磁化された永久磁石が固定され、上記永久磁石の上には、トランスファーヨークが設けられ、トランスファーヨーク上には上記固定鉄心がボビンに挿入された状態で載置されていることを特徴とする請求項３に記載の釈放形電磁石装置。
5. 固定鉄心とトランスファーヨークとは一体化成形されることを特徴とする請求項４に記載の釈放形電磁石装置。
6. プランジャと端部ヨーク間の空隙は、プランジャとパイプの交差の組立誤差以上の値となるように設定することを特徴とする請求項１に記載の釈放形電磁石装置。

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