JPWO2019167103A1 - 電磁アクチュエータ、開閉器およびスイッチギア - Google Patents

Abstract

簡便な構造で開閉器（１）の高速動作を実現可能な電磁アクチュエータ（３）を提供するとともに、高速動作に伴い発生するチャタリングを抑制可能な開閉器（１）さらには、それを搭載したスイッチギア（５１）を提供することを目的とする。電磁アクチュエータ（３）はコイル（２２）を挟んで対向するように、可動軸（１５）に連結した反発板（２１）と可動鉄心（２２）とを具備し、開極時には、反発板（２１）とコイル（２２）との距離は可動鉄心（２３）とコイル（２２）との距離よりも小さく配置し、可動軸（１５）に皿ばね（３０）が連結されて可動軸（１５）を固定する。コイル（２２）に通電されると、可動軸（１５）が動作して閉極し、可動鉄心（２３）とコイル（２２）との距離が小さくなるとともに、皿ばね（３０）が反転して可動軸（１５）を閉極方向に接圧するように構成した。

Description

本願は、電磁アクチュエータ、電磁アクチュエータにより開閉する開閉器およびそれを搭載したスイッチギアに関するものである。

配電盤内での短絡によって内部アークが発生すると、上位系統の遮断器が動作するまで内部アークは発生し続けるため盤は著しく損傷する虞がある。
そのため、受配電盤内の内部アークを高速検知して高速接地することで内部アークを消滅させ内部アークによる盤の損傷を抑える内部アーク保護システムが開発されている。この内部アーク保護システムに使用される高速接地開閉器として火薬を用いた高速アクチェータが知られているが、動作が１回に限られる。
これに対し、複数回動作可能な電磁アクチュエータを用いた内部アーク保護システムが知られている（例えば特許文献１）。

また、接点を高速かつ複数回動作可能な電磁アクチュエータを搭載した遮断器が例えば特許文献２に記載されている。開極動作では第１のコイルを通電すると反発板に発生する電磁力よって開極方向に動作し、投入ばねが圧縮され、可動軸に連結された可動鉄心が保持機構によって保持される。閉極動作では第２のコイルを通電すると、保持機構の永久磁石の吸力が打ち消されて保持が開放され、可動鉄心が投入ばねによって閉極方向に動作する。

さらに、特許文献３には、別の高速動作可能な遮断器用の電磁アクチュエータが開示されている。動作時（開極）には、第１および第２のコイルが励磁されるが、第１のコイルに近接して配置された反発板内に渦電流を発生させ、第１のコイルの磁界と渦電流による磁界とが反発することで反発板に接続された可動軸が閉極方向に駆動する。この可動軸の駆動により可動鉄心と固定鉄心の距離が縮まり、第２のコイルの電磁力により可動鉄心と固定鉄心に接触する。

特開２０１０−１３５３２３号公報 特開２００２−３４３２００号公報（図１） 特開２００６−２６０８６０号公報（図１）

特許文献１は、高速投入スイッチを実現しつつ、閉極である高速投入時に発生する衝撃および騒音を減少させるために、ケース内部のガスにその衝撃を吸収させるようにダンパー穴を設けている。そのため、棒状の可動電極とそれを受けダンバー穴を有する円筒状の固定電極を具備しており、構造が大型かつ複雑である。

また、特許文献２および特許文献３はいずれも、高速に動作させようとすると、パルス電流用の電源の大型化あるいは閉極時発生する電極間の跳ね返りが大きくなる問題がある。
特に特許文献３は、動作時とは主に遮断（開極）を意味しており、閉極動作に使用する場合、閉極時発生するチャタリングについての考慮はなされていない。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、簡便な構造で開閉器の高速動作を実現するとともに、高速動作に伴い発生するチャタリングを抑制することを目的とする。

本願に開示される電磁アクチュエータは、コイルを貫通する可動軸に連結され、前記コイルを挟んで対向して配置された反発板および可動鉄心と、前記可動軸に一端が連結され、他端が固定された弾性部材とを有し、第一の状態において、前記反発板と前記コイルとの距離は前記可動鉄心と前記コイルとの距離よりも小さく、前記コイルに通電され、前記反発板が前記コイルに反発するように前記可動軸が動作して第二の状態となった時に、前記反発板と前記コイルとの距離は前記可動鉄心と前記コイルとの距離よりも大きくなるとともに、前記弾性部材により前記可動軸の動作方向に前記可動軸が接圧されることを特徴とするものである。

本願に開示される開閉器は、前記電磁アクチュエータと、前記可動軸の前記反発板側の端部に接続された可動電極と接離可能な固定電極とを備えたスイッチ部とを有し、前記第一の状態が開極であり、前記第二の状態が閉極であることを特徴とするものである。

本願に開示されるスイッチギアは、前記開閉器とアーク検出部とを備え、前記アーク検出部によりアークが検出されると前記開閉器により回路を接地するものである。

以上のように構成されたので、簡便な構造で電磁アクチュエータの高速動作を実現することができ、この電磁アクチュエータにより高速に開閉器を動作でき、チャタリングを抑制することができる。

実施の形態１に係る開閉器の開極状態を示した構成図である。 実施の形態１に係る開閉器の閉極状態を示した構成図である。 コイルに流れる電流、可動電極の変位、反発板及び可動鉄心に発生する電磁力の時間変化を示す図である。 実施の形態２に係る開閉器の開極状態を示した構成図である。 実施の形態２に係る開閉器の閉極状態を示した構成図である。 実施の形態３に係る開閉器の開極状態を示した一部構成図である。 実施の形態３に係る開閉器の閉極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る開閉器の開極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る開閉器の閉極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る開閉器の閉極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る開閉器の開極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る開閉器の開極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る別の開閉器の開極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る別の開閉器の閉極状態を示した一部構成図である。 実施の形態５に係るスイッチギアの概略構成図である。 実施の形態５に係る別のスイッチギアの概略構成図である。

以下、本実施の形態について図を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１Ａおよび図１Ｂは、実施の形態１に係る開閉器の構成図で、図１Ａは開極状態を示したもので、図１Ｂは閉極状態を示したものである。
図１Ａおよび図１Ｂにおいて、開閉器１は、固定電極１１とこの固定電極１１に接離して閉極および開極状態を形成する可動電極１２とを真空容器の内部に具備する真空スイッチ２と、この真空スイッチを開閉するために一端に可動電極１２の連結された第１の可動軸１３を駆動する電磁アクチュエータ３とを有する。
なお、端子４および端子５はそれぞれ真空スイッチ２の外部に設けられ、端子４は固定電極１１の固定端に接続され、端子５は第１の可動軸１３に接続される。端子４および端子５は真空スイッチ２を回路の開閉に使用する時にそれぞれ高圧側端子、グランド側端子となる。

電磁アクチュエータ３は、第１の可動軸１３に絶縁性の接続ロッド１４を介して連結された第２の可動軸１５を有し、真空スイッチ２側から順に反発板２１、コイル２２、可動鉄心２３、弾性部材である皿ばね３０が配置される。
反発板２１は第２の可動軸１５に連結され、第２の可動軸１５とともに軸方向に動作する。コイル２２の中空部を挟んで可動鉄心２３が第２の可動軸１５に連結され、可動鉄心２３も第２の可動軸１５とともに軸方向に動作する。
図１Ａの開極状態においては、反発板２１とコイル２２との距離は可動鉄心２３とコイル２２との距離よりも近く、図１Ｂの閉極状態においては、反発板２１とコイル２２との距離は可動鉄心２３とコイル２２との距離よりも遠くなるように配置されている。

皿ばね３０は、外周端がばね固定部材３１ａに固定され、内周端がばね固定部材３１ｂにより第２の可動軸１５に固定される。図１Ａの開極状態においては、第２の可動軸１５は皿ばね３０により真空スイッチ２から遠ざかるように接圧される。図１Ｂの閉極状態では、第２の可動軸１５は皿ばね３０により真空スイッチ２に近づくように接圧され、真空スイッチ２内の固定電極１１と可動電極１２が離れないように保持する役割を果たす。

次に、電磁アクチュエータ３の動作について説明する。
まず、図１Ａの開極状態において、コイル２２に高周波のパルス電流を通電すると磁界が発生し、この磁界によりコイル２２に近接配置された反発板２１に渦電流が発生する。反発板２１に発生した渦電流による磁界は、コイル２２に発生した磁界を打ち消そうとする向き、すなわちコイルに発生する磁界と逆向きであるため、反発板２１はコイル２２から離れる方向に動く。したがって、反発板２１に発生する電磁力により反発板２１及び反発板２１に連結された第２の可動軸１５は閉極方向に動く。反発板２１がコイルから離れると、反発板２１の電磁力が減少する。

コイル２２の電磁力は可動鉄心２３をコイル２２方向に吸引するように働くが、開極状態においては可動鉄心２３とコイル２２との距離が大きいため、可動鉄心２３に発生する電磁力は小さく、反発板２１の動作によって、可動鉄心２３とコイル２２との距離が小さくなると可動鉄心２３に発生する電磁力は大きくなっていく。
また、開極状態においては、皿ばね３０により第２の可動軸１５は固定されているが、コイル２２の通電後、可動軸１５が所定の距離を駆動すると、図１Ｂで示されるように、皿ばね３０は反転し第２の可動軸１５を閉極側に押すように接圧する。

図２は、コイルに流れる電流、可動電極の変位、反発板及び可動鉄心に発生する電磁力の時間変化を示す図である。図において、１００はコイル２２に通電した時に流れるコイル電流、１０１は可動電極１２の変位、１０２は反発板２１に発生する反発板電磁力、１０３は可動鉄心２３に発生する可動鉄心電磁力である。１０１の可動電極の変位は、第２の可動軸１５の変位に相当する。

コイル２２に電流が流れると、反発板２１に発生する電磁力１０２は急峻に立ち上がる。その電磁力１０２により、変位１０１に示すように、可動電極１２すなわち第２の可動軸１５は駆動し始める。その後、反発板２１による電磁力１０２はピークを迎える。
一方、可動鉄心２３に発生する電磁力１０３は反発板２１に発生する電磁力１０２より遅れて立ち上り、ピークを迎える。そのため、閉極位置付近で可動鉄心２３の電磁力１０３が大きくなり、すなわち第２の可動軸１５を介して、可動電極１２を固定電極１１方向に動作させる力が大きくなり、可動電極１２が固定電極１１に衝突した時のチャタリングを抑制することができる。
なお、図２において、閉極位置付近とは、変位１０１が平坦になる時間の可動電極１２の位置である。
また、可動電極１２が固定電極１１に衝突した時には、皿ばね３０の弾性力により、可動電極１２の跳ね返りを抑えるため、チャタリングの一層の抑制を図ることができる。皿ばね３０は、閉極時に第２の可動軸１５の動作方向に第２の可動軸１５を接圧し、チャタリングの抑制に寄与している。
図２で示すように、第２の可動軸１５の変位１０１は衝突後ほぼ振動のないよう平坦に維持される。

図２で示した電磁力の関係は、反発板２１においては材料、導電率、可動軸からの径方向の大きさおよび厚さ等で調整することが可能である。材料としては、銅またはアルミニウムが考えられるが、駆動する部材として剛性も考慮すると、銅系の部材が望ましい。大きさは径方向ではコイルの径と同程度であればよい。
可動鉄心２３においては、大きさは径方向ではコイルの径と同程度かそれ以内であればよく、装置としての重量、駆動性を考慮して厚さも含め設定すればよい。

開極の動作は以下のとおりである。
固定電極１１と可動電極１２との間の接点間の通電が停止したことを確認後、開極動作を行う。開極を行う機構として、簡便な手動用の機構を設けてもよい。図示しないが、例えば可動軸１５にネジ部を設け、このネジ部を利用して開極方向に駆動する送り機構を取りつければよい。この場合、閉極動作に影響しないように可動軸１５に対して着脱可能にするのが望ましい。また、リンク機構を可動軸に取り付け手動で開極できるハンドルを取り付けてもよい。このような機構を用いて、開極状態の位置に可動軸１５を移動させれば、弾性部材である皿ばね３０により、開極位置で可動軸１５は維持される。

以上のように、本実施の形態１によれば、電磁アクチュエータ３はコイル２２を挟んで対向するように、第２の可動軸１５に連結した反発板２１と可動鉄心２３とを具備し、第一の状態として、反発板２１とコイル２２との距離は可動鉄心２３とコイル２２との距離よりも近くに配置し、第２の可動軸１５に皿ばね３０を連結して第２の可動軸１５を接圧する。コイル２２に通電された後、第２の可動軸１５が動作し第二の状態になった時に、反発板２１とコイル２２との距離は可動鉄心２３とコイル２２との距離よりも遠くなるとともに、かつ皿ばね３０が反転して第２の可動軸１５を接圧するように構成した。これにより、反発板２１と可動鉄心２３に働く２種類の電磁力を併用することで、従来よりも高効率に高速動作が可能な電磁アクチュエータを提供できる。
また、可動鉄心２３の電磁力は反発板２１の電磁力に対して遅れてピークを迎えるため、第２の可動軸１５が高速に所定距離を動作した近傍で電磁力を増加させることができ、電極間の跳ね返りを小さくできる。さらに、皿ばね３０の弾性力により、第２の可動軸１５が所定距離を動作した後、小さい跳ね返りで止まることができる。

また、反発板２１および可動鉄心２３に電磁力を発生させるコイル２２を１つとしたので、従来よりも小型の電磁アクチュエータを提供することができる。

また、実施の形態１によれば、上述の電磁アクチュエータ３の第２の可動軸１５に連結して、可動電極１２を設け、固定電極１１に衝突して閉極動作するように、電磁アクチュエータ３を真空スイッチ２の駆動装置とて開閉器１を構成した。これにより、可動鉄心２３の電磁力は反発板２１の電磁力に対して遅れてピークを迎えるため閉極位置付近の電磁力を増加することができ、可動電極１２が固定電極に衝突した時の跳ね返りを抑えチャタリングを抑制することができる。さらに、皿ばね３０の弾性力も作用し、チャタリングを一層抑制することができる。
１つのコイルで、反発板２１および可動鉄心２３に電磁力を発生させる小型の電磁アクチュエータを用いたので、開閉器１の小型化も可能となる。

実施の形態２．
上述の実施の形態１では可動鉄心と弾性部材である皿ばねを別々に設けていたが、本実施の形態２では、可動鉄心と弾性部材である皿ばねを接続して第２の可動軸に連結する例について説明する。

図３Ａおよび図３Ｂは、実施の形態２に係る開閉器の構成図で、図３Ａは開極状態を示したものである。図３Ｂは閉極状態を示したものである。
図３Ａおよび図３Ｂにおいて、開閉器１は、固定電極１１とこの固定電極１１に接離して閉極および開極状態を形成する可動電極１２とを内部に具備する真空スイッチ２と、この真空スイッチを開閉するために一端に可動電極１２の連結された第１の可動軸１３を駆動する電磁アクチュエータ３とを有する。

電磁アクチュエータ３は、第１の可動軸１３に絶縁性の接続ロッド１４を介して連結された第２の可動軸１５を有し、真空スイッチ２側から順に反発板２１、コイル２２、可動鉄心２４が配置される。
実施の形態１と同様に、反発板２１は第２の可動軸１５に連結され、第２の可動軸１５とともに軸方向に動作する。コイル２２の中空部を挟んで可動鉄心２４が第２の可動軸１５に連結され、可動鉄心２４も第２の可動軸１５とともに軸方向に動作する。
また、図３Ａの開極状態においては、反発板２１とコイル２２との距離は可動鉄心２４とコイル２２との距離よりも近く、図３Ｂの閉極状態においては、反発板２１とコイル２２との距離は可動鉄心２４とコイル２２との距離よりも遠くなるように配置されている。

本実施の形態２の可動鉄心２４は、皿ばね３０の内周端に連結され、皿ばね３０を第２の可動軸１５と固定する。皿ばね３０の外周端は実施の形態１と同様に、ばね固定部材３１ａに固定され、第２の可動軸１５が動作しても外周端の位置は維持される。図３Ａの開極状態においては、第２の可動軸１５は皿ばね３０により真空スイッチ２から遠ざかる位置で接圧される。図３Ｂの閉極状態においては、第２の可動軸１５は皿ばね３０により開極状態から反転して真空スイッチ２に近づく位置で接圧され、真空スイッチ２内の固定電極１１と可動電極１２が離れないように保持する。

電磁アクチュエータ３の動作は実施の形態１と同様である。コイル２２に高周波のパルス電流を通電すると磁界が発生し、この磁界による電磁力に対して、反発板２１と可動鉄心２４に働く２種類の電磁力を併用する。
まず、反発板２１の電磁力が立ち上がり、反発板２１の動作により第２の可動軸１５が駆動される。反発板２１の電磁力に対して可動鉄心２４の電磁力は遅れてピークを迎えるため、第２の可動軸１５が高速に所定距離を動作した近傍、すなわち、可動電極１２が固定電極１１に接する近傍で電磁力を増加させることができ、電極間の跳ね返りを小さくできる。さらに、皿ばね３０の弾性力により、第２の可動軸１５を押さえ、所定距離を動作した後、小さい跳ね返りで止まることができる。

実施の形態１では、可動鉄心２３と皿ばね３０を別々に第２の可動軸１５に連結するようにしたが、実施の形態２では可動鉄心２４が皿ばね３０の内周端側の固定部材を兼ねているため、可動軸方向の長さが短縮され、電磁アクチュエータ３および開閉器１の小型化が可能となる。

一方、実施の形態２では可動鉄心２４が皿ばね３０の内周端側の固定部材を兼ねているため、可動鉄心２３のコイル２２に対向する面積が小さくなる。そのため、図２で示した可動鉄心に発生する電磁力を確保するためには、可動鉄心２４の面積の確保も重要となる。しかし、皿ばね３０の固定部材として可動鉄心２４の大きさを考えると、大きくするほど皿ばね３０の弾性力の確保が困難になる、あるいは皿ばね３０が大型化することになる。
そのため、可動鉄心２４の径方向の大きさ、すなわちコイル２２に対向する面積は、皿ばね３０が大型化しないようにかつ一定の弾性力を確保できる最大限の面積とし、可動鉄心２４の厚さを調整すればよい。可動鉄心２４に発生する電磁力を確保しつつ、装置、すなわち電磁アクチュエータ３あるいは開閉器１としての重量、駆動性を考慮して設定すればよい。

以上のとおり、本実施の形態２の構成によれば、実施の形態１と同様の効果を奏する。さらに、可動鉄心２４と弾性部材である皿ばね３０を接続して第２の可動軸１５に連結し、可動鉄心２４を皿ばね３０の内周端側の固定部材として用いたので、実施の形態１の効果に加え、可動軸方向の長さが短縮され、一層小型化された電磁アクチュエータ３あるいは開閉器１を提供することができる。

また、弾性部材である皿ばね３０を第２の可動軸１５に連結するための部材を可動鉄心２４と一体化し兼ねるようにすることで、可動部重量の増加を抑制するとともに、コイル２２通電用の電源（図示せず）の大型化も抑制することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、実施の形態２で示した、可動鉄心と弾性部材である皿ばねを接続して第２の可動軸に連結する別の例について説明する。

図４Ａおよび図４Ｂは、実施の形態３に係る開閉器の構成図で、図４Ａは開極状態を示したものである。図４Ｂは閉極状態を示したものである。
図４Ａおよび図４Ｂにおいて、開閉器１は、固定電極１１とこの固定電極１１に接離して閉極および開極状態を形成する可動電極１２とを内部に具備する真空スイッチ２と、この真空スイッチを開閉するために一端に可動電極１２の連結された第１の可動軸１３を駆動する電磁アクチュエータ３とを有する。

電磁アクチュエータ３は、第１の可動軸１３に絶縁性の接続ロッド１４を介して連結された第２の可動軸１５を有し、真空スイッチ２側から順に反発板２１、コイル２２、可動鉄心２４が配置される。
実施の形態１と同様に、反発板２１は第２の可動軸１５に連結され、第２の可動軸１５とともに軸方向に動作する。コイル２２の中空部を挟んで可動鉄心２４が第２の可動軸１５に連結され、可動鉄心２４も第２の可動軸１５とともに軸方向に動作する。

本実施の形態３の可動鉄心２４は、皿ばね３０の内周端に連結され皿ばね３０を第２の可動軸１５と固定される役割を持つ可動鉄心２４ａとコイル２２側に突出した可動鉄心凸部２４ｂを有する。
皿ばね３０の外周端は実施の形態１及び２と同様に、ばね固定部材３１ａに固定され、第２の可動軸１５が動作しても外周端の位置は維持される。図４Ａの開極状態においては、第２の可動軸１５は皿ばね３０により真空スイッチ２から遠ざかる位置で接圧される。図４Ｂの閉極状態においては、第２の可動軸１５は皿ばね３０により開極状態から反転して真空スイッチ２の閉極状態で接圧され、真空スイッチ２内の固定電極１１と可動電極１２が離れないように保持する。

また、図４Ａの開極状態においては、反発板２１とコイル２２との距離は可動鉄心２４ａとコイル２２との距離よりも近く、図４Ｂの閉極状態においては、反発板２１とコイル２２との距離は可動鉄心２４ａとコイル２２との距離よりも遠くなるように配置されている。

電磁アクチュエータ３の動作は実施の形態１及び２と同様である。コイル２２に高周波のパルス電流を通電すると磁界が発生し、この磁界による電磁力に対して、反発板２１と可動鉄心２４に働く２種類の電磁力を併用する。
まず、反発板２１の電磁力が立ち上がり、反発板２１の動作により第２の可動軸１５が駆動される。反発板２１の電磁力に対して可動鉄心２４の電磁力は遅れてピークを迎えるため、第２の可動軸１５が高速に所定距離を動作した近傍、すなわち、可動電極１２が固定電極１１に接する近傍で電磁力を増加させることができ、電極間の跳ね返りを小さくできる。さらに、皿ばね３０の弾性力により、第２の可動軸１５を押さえ、所定距離を動作した後、小さい跳ね返りで止まることができる。

次に、可動鉄心の大きさ及び形状について説明する。
可動鉄心に働く吸引力を増加する際には重量増加と、コイルインダクタンス増加によって応答性が低下しないように次の点に気をつける必要がある。コイルインダクタンスが増加しすぎると、図２に示したコイル電流の立ち上がりが低下するため、反発板の電磁力も低下し応答性が逆に悪くなる場合があるからである。
実施の形態１で示した可動鉄心の径はコイルの外径と同程度が望ましく、径が大きすぎると重量およびコイルインダクタンスが増加する。厚さは電磁力に対して強度を考慮する必要がある。
実施の形態２で示した可動鉄心の径はコイルの外径と同程度にすることは難しいため、厚さにより重量増加、コイルインダクタンスの増加、電磁力の強度を調整する。
本実施の形態３で示した凸部を有する可動鉄心２４においては、可動鉄心凸部２４ｂの凸部の高さは、凸部の先端が開極位置でコイルと同一面に位置する程度が望ましく、高さが大きすぎると、重量およびコイルインダクタンスが増加する。また、閉極位置において、可動鉄心凸部２４ｂがコイル２２の中空部に入り込むように可動鉄心凸部２４ｂの外径はコイル２２の内径より小さい。

以上のとおり、本実施の形態３の構成によれば、実施の形態１及び２と同様の効果を奏する。
さらに、可動鉄心２４をコイル２２の内径に対して凸となる可動鉄心凸部２４ｂを設けたことで、装置を大型化することなく、可動鉄心２４の電磁力を向上させ電磁アクチュエータ３全体の出力を向上することができる。

実施の形態４．
実施の形態１から３では、弾性部材として皿ばねを用いた例を示したが、弾性部材は他のものであってもよい。
図５Ａおよび図５Ｂは、実施の形態４に係る開閉器の一部の構成を示した図である。実施の形態１の図１Ａ、図１Ｂの弾性部材である皿ばね３０とばね固定部材３１ａ、３１ｂに代わって、リンク機構３２を用いた例を示している。図５Ａは開極状態を示したもの、図５Ｂは閉極状態を示したものである。

図において、リンク機構３２は、ばね３３とばね３３の一端を回転自由な状態で固定する固定部材３４ａと、ばね３３の他端を第２の可動軸１５に回転自由な状態で固定する固定部材３４ｂとを備える。図５Ａの開極位置と図５Ｂの閉極位置ではばね３３の方向が変わることで、第２の可動軸１５に作用する力の向きが反転する。
例えば、ばね３３が圧縮ばねの場合、開極位置では開極方向に、閉極位置では閉極方向に接圧するように第２の可動軸１５にばね３３の力が作用する。

また、図５Ｃはリンク機構３２を第２の可動軸１５に対して対称な位置に複数配置した時の閉極状態の例であるが、このように配置すると、第２の可動軸１５の軸方向に均等な力を付与することができる。

さらに、実施の形態２で示した皿ばねのように、第２の可動軸１５に連結する可動鉄心２４にばね３３の固定部材３４ｂを設けるようにしてもよい。図５Ｄおよび図５Ｅは、第２の可動軸１５に連結する可動鉄心２４にばね３３の固定部材３４ｂを設けた時の開極状態を示す例である。
図５Ｄおよび図５Ｅにおいて、可動鉄心２４に、実施の形態３のように可動鉄心凸部２４ｂを設けてよいことはいうまでもない。

次に、磁気ラッチ機構を用いた例について説明する。
図６Ａおよび図６Ｂは、実施の形態４に係る開閉器の一部の別の構成を示した図である。実施の形態１の図１Ａ、図１Ｂの弾性部材である皿ばね３０とばね固定部材３１ａ、３１ｂに代わって、磁気ラッチ機構３５を用いた例を示している。図６Ａは開極状態を示したもの、図６Ｂは閉極状態を示したものである。

図において、磁気ラッチ機構３５は第２の可動軸１５に連結された吸着板３６が永久磁石３８の磁力で固定鉄心３９に吸着保持されることで閉極ばね３７を圧縮した状態で開極状態を保つ。一方、閉極動作時に吸着板３６がひきはがされると、永久磁石３８と吸着板３６との間のギャップが大きくなるため磁力が弱まり、閉極方向に閉極ばね３７の力が可動軸１５に作用する。
なお、吸着板３６は、磁性材料からなり、抵抗率の高いものが望ましい。本実施の形態では鉄系の吸着板を使用した。

以上のとおり、皿ばねを用いない弾性部材として、リンク機構を用いた例および磁気ラッチ機構を用いた例を示した。いずれも皿ばねと同様に、開極位置で開極方向に、閉極位置で閉極方向に、可動軸１５に力を加えることが可能である。

以上のとおり、本実施の形態４の構成によれば、実施の形態１から３と同様の効果を奏する。

なお、上述の実施の形態２から４において、開極動作は省略したが、実施の形態１と同様な動作で行うことができることはいうまでもない。

実施の形態５．
本実施の形態５では、実施の形態１から４に記載の開閉器を高速スイッチとして搭載したスイッチギアの例について説明する。

図７は、実施の形態５に係るスイッチギア５１の構成を示した概略図である。
図において、上位系統との間に設けられた遮断器４４と遮断器４４の下流に接続された電流センサ４２を有する。入力された電力は下流へと送られ、それぞれ下流の遮断器６１、６２を介して下位の配電盤へと接続される。
下流の遮断器６１、６２に並列に接続された開閉器１が設けられ、アーク発生位置４０をアーク検出部４１が検出すると、その信号を受けて動作する。
なお、下流の遮断器６１、６２は２個の例を示したが、２個に限るものではない。

図において、開閉器１は実施の形態１から４で示した開閉器１のいずれかに相当する。
図中、端子４ａに開閉器１の端子４が、端子５ａに開閉器１の端子５が接続され、端子４ａが高圧側端子、端子５ａがグランド側端子となる。開閉器１はスイッチギア５１に搭載された場合、端子５ａをグランド側端子とするため、第１の可動軸１３と第２の可動軸１５とを接続する接続ロッド１４は絶縁材料でなくてもよい。

次に動作について説明する。
アーク発生位置４０で短絡が発生し、アークが発生すると、電流センサ４２は電流の変動を検知する。電流センサ４２の情報をアーク検出部４１が受けると開閉器１の制御系統（図示せず）に閉極の指令を送り、開閉器１は閉極する。スイッチギア５１内の回路が接地され、短絡電流はグランドに流れ、アークは速やかに消弧する。

短絡事故が発生すると、上流の遮断器４４で電力を遮断するまで、上流から電流が供給されることになり、アークによってスイッチギア５１内の損傷が進んでしまう。そのため、遮断器４４の動作までの間、高速で短絡電流を接地することが望まれている。高速で、短絡電流を接地できれば、スイッチギア５１内の機器の再利用も可能となる。
本実施の形態によれば、実施の形態１から４で示したいずれかの開閉器１を高速スイッチとして搭載しているので、アーク発生後高速に接地することができるとともに、閉極時のチャタリングが抑制されているので、高速スイッチとしての再生、複数回使用も可能となる。さらに、開閉器は盤内に設置されるので、小型化が求められているが、本実施の形態による開閉器１であれば、従来のものより小型化されており、その点でも充足する。

図７では、アーク検知の方法として、既存の電流センサを用いて短絡電流による電流変動を検知する例を示したが、図８のように、アークを光で検知してもよい。
図８は別のスイッチギア５１の構成を示した概略図である。図において、アーク検出センサ４３は、短絡事故が発生すると、アーク発生位置４０のアークによる光を検知し、その情報をアーク検出部４１に送る。アーク検出部４１は、開閉器１の制御系統（図示せず）に閉極の指令を送り、開閉器１は閉極する。短絡電流はグランドに流れ、アークは速やかに消弧する。
なお、図７の電流センサ４２と図８の光を検知するアーク検出センサ４３とを併用してアークの発生を検出するようにしてもよい。また、アークを検出することができれば、電流または光を検出する方法でなくてもよい。

アーク検出部４１は、例えば事前にスイッチギア５１内に流れる定常時の電流値及び許容可能な変動の範囲等を有しており、アーク発生時の電流センサ４２で検知した値と比較して、アーク発生の判断を行う。また、アーク検出部４１は、例えばアークによる発光のデータを保有しており、アーク検出センサ４３による発光情報からアーク発生の判断を行う。アーク検出部４１は、アーク発生と判断した場合、開閉器１に閉極指令を送る。
なお、図７、８においてアーク検出部４１からの信号は開閉器１に送られているが、同時に遮断器４４にも送られる。高速スイッチである開閉器１により短絡電流を接地し、アークを消弧するが、その後遮断器４４により上流から遮断されて、スイッチギア５１は保護される。
遮断器４４による遮断まで、開閉器１の可動電極１２は可動鉄心の電磁力または弾性部材により閉極方向に接圧される。

事故後の復旧作業に伴う開極の動作は以下のとおりである。停電した状態であれば開極時は低速でよいため、可動軸に手動開極用の機構を取り付ければよい。図示しないが、例えば、可動軸１５に設けたネジ部を設け、このネジ部を利用して開極方向に駆動する送り機構を取りつければよい。閉極動作に影響しないように可動軸１５に対して着脱可能にするのが望ましい。他にもリンク機構を可動軸に取り付け手動で開極できるハンドルを取り付けてもよい。

以上のとおり、本実施の形態５の構成によれば、高速スイッチとして実施の形態１から４に記載の開閉器のいずれかを搭載したスイッチギア５１であるので、開閉器は小型化されており、スイッチギア５１の所定の盤内に設置することができる。また、開閉器の電磁アクチュエータは高速に動作し、開閉器を閉極するので、アーク発生時のアークを速やかに消弧し、スイッチギア５１内の損傷を低減できる。また、搭載された開閉器はチャタリングが抑制されているため、閉極しても可動電極と固定電極の接触面の損傷も低減されるため、複数回の使用が可能となる。
さらに、アーク発生事故を速やかに鎮静化できるため、事故後の復旧時間の短縮および動作確認を可能とし、信頼性の高いスイッチギアを提供することが可能となる。

上述の実施の形態１から５において、開閉器１は真空スイッチ２を有するもので説明したが、電極を真空容器内に配置した真空スイッチであれば、開極時のギャップを小さくすることができるという利点がある。
スイッチギアとしてあるいは配電盤として比較的低圧の定格電圧のもの、例えば４００Ｖ程度以下であれば、真空スイッチを用いなくても、ガスまたは空気を封入したスイッチであってもよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１：開閉器、 ２：真空スイッチ、 ３：電磁アクチュエータ、 ４、４ａ、５、５ａ：端子、 １１：固定電極、 １２：可動電極、 １３：第１の可動軸、 １４：接続ロッド、 １５：第２の可動軸、 ２１：反発板、 ２２：コイル、 ２３、２４、２４ａ：可動鉄心、 ２４ｂ：可動鉄心凸部、 ３０：皿ばね、 ３１ａ、３１ｂ：ばね固定部材、 ３２：リンク機構、 ３３：ばね、 ３４ａ、３４ｂ：固定部材、 ３５：磁気ラッチ機構、 ３６：吸着板、 ３７：閉極ばね、 ３８：永久磁石、 ３９：固定鉄心、 ４０：アーク発生位置、 ４１：アーク検出部、 ４２：電流センサ、 ４３：アーク検出センサ、 ４４：遮断器、 ５１：スイッチギア、 ６１、６２：遮断器、 １００：コイル電流、 １０１：変位、 １０２：反発板電磁力、 １０３：可動鉄心電磁力。

本願に開示される電磁アクチュエータは、コイルを貫通する可動軸に連結され、前記コイルを挟んで対向して配置された反発板および可動鉄心と、一端が前記可動鉄心により前記可動軸に連結され、他端が固定された弾性部材とを有し、第一の状態において、前記反発板と前記コイルとの距離は前記可動鉄心と前記コイルとの距離よりも小さく、前記コイルに通電され、前記反発板が前記コイルに反発するように前記可動軸が動作して第二の状態となった時に、前記反発板と前記コイルとの距離は前記可動鉄心と前記コイルとの距離よりも大きくなるとともに、前記弾性部材により前記可動軸の動作方向に前記可動軸が接圧されることを特徴とするものである。

実施の形態１に係る開閉器の開極状態を示した構成図である。 実施の形態１に係る開閉器の閉極状態を示した構成図である。 コイルに流れる電流、可動電極の変位、反発板及び可動鉄心に発生する電磁力の時間変化を示す図である。 実施の形態２に係る開閉器の開極状態を示した構成図である。 実施の形態２に係る開閉器の閉極状態を示した構成図である。 実施の形態３に係る開閉器の開極状態を示した構成図である。 実施の形態３に係る開閉器の閉極状態を示した構成図である。 実施の形態４に係る開閉器の開極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る開閉器の閉極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る開閉器の閉極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る開閉器の開極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る開閉器の開極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る別の開閉器の開極状態を示した一部構成図である。 実施の形態４に係る別の開閉器の閉極状態を示した一部構成図である。 実施の形態５に係るスイッチギアの概略構成図である。 実施の形態５に係る別のスイッチギアの概略構成図である。

また、実施の形態１によれば、上述の電磁アクチュエータ３の第２の可動軸１５に連結して、可動電極１２を設け、固定電極１１に衝突して閉極動作するように、電磁アクチュエータ３を真空スイッチ２の駆動装置として開閉器１を構成した。これにより、可動鉄心２３の電磁力は反発板２１の電磁力に対して遅れてピークを迎えるため閉極位置付近の電磁力を増加することができ、可動電極１２が固定電極に衝突した時の跳ね返りを抑えチャタリングを抑制することができる。さらに、皿ばね３０の弾性力も作用し、チャタリングを一層抑制することができる。
１つのコイルで、反発板２１および可動鉄心２３に電磁力を発生させる小型の電磁アクチュエータを用いたので、開閉器１の小型化も可能となる。

Claims (7)

1. コイルを貫通する可動軸に連結され、前記コイルを挟んで対向して配置された反発板および可動鉄心と、前記可動軸に一端が連結され、他端が固定された弾性部材とを有し、第一の状態において、前記反発板と前記コイルとの距離は前記可動鉄心と前記コイルとの距離よりも小さく、前記コイルに通電され、前記反発板が前記コイルに反発するように前記可動軸が動作して第二の状態となった時に、前記反発板と前記コイルとの距離は前記可動鉄心と前記コイルとの距離よりも大きくなるとともに、前記弾性部材により前記可動軸の動作方向に前記可動軸が接圧されることを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記弾性部材は前記可動鉄心により前記可動軸に連結された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. 前記可動鉄心は前記可動軸に沿ってコイル方向に突出した凸部を有し、前記可動鉄心の凸部の外径はコイルの内径よりも小さい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。
4. 前記弾性部材は、皿ばねであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータと、前記可動軸の前記反発板側の端部に接続された可動電極と前記可動電極と接離可能な固定電極とを備えたスイッチ部とを有し、前記第一の状態が開極であり、前記第二の状態が閉極であることを特徴とする開閉器。
6. スイッチ部は前記可動電極と前記固定電極とが真空容器に収納された真空スイッチであることを特徴とする請求項５に記載の開閉器。
7. 請求項５または６に記載の開閉器とアーク検出部とを備え、前記アーク検出部によりアークが検出されると前記開閉器により回路を接地するスイッチギア。

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