KR101304056B1

KR101304056B1 - 전자석 장치 및 전자석 장치를 이용한 개폐장치

Info

Publication number: KR101304056B1
Application number: KR1020127010869A
Authority: KR
Inventors: 김태현; 도모타카 야노; 마사히로 아리오카
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2013-09-04
Also published as: WO2011052011A1; KR20120062916A; CN102668001A; JP5230819B2; US20120169441A1; AU2009354702B2; US8680956B2; DE112009005331T5; JPWO2011052011A1; HK1173845A1; AU2009354702B9; CN102668001B; AU2009354702A1; DE112009005331B4

Abstract

전자석 장치와 개폐장치의 주회로 접점부를 동일축상에 배치한 개폐장치에서는, 개폐장치의 주회로 접점부, 절연로드, 구동로드, 접압스프링, 개방스프링 및 전자석을 모두 동일축상에 배치하고 있기 때문에, 개폐장치의 축방향의 치수가 커진다고 하는 과제가 있었다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하는 것을 과제로 하여 이루어진 것으로, 개폐장치의 주회로 접점부, 절연로드, 구동로드, 접압스프링, 개방스프링 및 전자석의 일부를 축방향의 동일 범위 내에 배치한다. 특히 개방스프링과 전자석을 축방향으로 동일한 영역에 배치하고, 개폐장치의 축방향의 치수를 단축할 수 있는 전자석 장치 및 전자석 장치를 이용한 개폐장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

Description

전자석 장치 및 전자석 장치를 이용한 개폐장치 {ELECTROMAGNET DEVICE AND SWITCHING DEVICE USING ELECTROMAGNET DEVICE}

본 발명은 전자코일로의 통전에 의해 가동철심을 고정철심에 대해서 변위시키는 전자석 장치 및 전자석 장치의 구동력에 의해서 접점을 개폐하는 전력의 송배전 및 수전(受電) 설비에 이용되는 개폐장치에 관한 것이다.

전자석 장치의 구동력에 의해서 접점을 개폐하는 개폐장치의 일부에는 전자석 장치와 개폐장치의 주회로 접점부를 동일축상에 배치하고 있어, 연결기구에 의한 전달손실을 삭감할 수 있는 메리트를 가진다. 본 구성의 개폐장치는 개폐장치의 주회로 접점부, 절연로드, 구동로드, 주회로 접점에 접압(接壓)을 가하는 접압스프링, 주회로 접점 중 가동접점에 개방방향의 하중을 발생하는 개방스프링 및 전자석 장치의 가동축을 모두 동일축상에 배치하고 있다.(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1 : 일본국 특허 제4277198호

전자석 장치와 개폐장치의 주회로 접점부를 동일축상에 배치한 개폐장치에서는 개폐장치의 주회로 접점부, 절연로드, 구동로드, 접압스프링, 개방스프링 및 전자석을 모두 동일축상에 배치하고 있기 때문에, 개폐장치의 축방향의 치수가 커진다고 하는 과제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하는 것을 과제로 하여 이루어진 것으로, 개폐장치의 축방향의 치수를 단축할 수 있는 전자석 장치 및 전자석 장치를 이용한 개폐장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

개폐장치의 주회로 접점부, 절연로드, 구동로드, 접압스프링, 개방스프링 및 전자석의 일부를 축방향의 동일 범위 내에 배치한다. 특히 개방스프링과 전자석을 축방향으로 같은 영역에 배치한다.

전자석과 개방스프링의 합계의 전체 길이를 단축할 수 있어, 개폐장치의 소형화를 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 의한 개폐장치를 나타내는 정단면도.
도 2는 도 1의 개폐장치의 접점이 열려 있는 상태(개극(開極)상태)를 나타내는 정단면도.
도 3은 도 2의 전자석 장치(5)에서 전자석(10) 주변의 주요부를 나타내는 정단면도.
도 4는 도 3의 측단면도.
도 5는 도 3에서 전자석(10)의 사시도.
도 6은 전자석의 자기회로를 설명하는 일부 파단 사시도.
도 7은 전자석의 흡인력이 저하하는 경우의 구성도.
도 8은 본 발명의 실시형태 6에 의한 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도.
도 9는 본 발명의 실시형태 6에 의한 다른 구성의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도.
도 10은 본 발명의 실시형태 6에 의한 다른 구성의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도.
도 11은 본 발명의 실시형태 6에 의한 다른 구성의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도.
도 12는 본 발명의 실시형태 7에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도.
도 13은 본 발명의 실시형태 7에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 상면도.
도 14는 본 발명의 실시형태 8에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도.
도 15는 본 발명의 실시형태 8에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 상면도.
도 16은 본 발명의 실시형태 9에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도.
도 17은 본 발명의 실시형태 10에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도.
도 18은 본 발명의 실시형태 11에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도.

실시예 1

실시형태 1.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 의한 개폐장치를 나타내는 정단면도이다. 또, 도 1은 개폐장치의 접점이 닫혀 있는 상태(폐극(閉極)상태)를 나타내는 도면이다. 또한, 도 2는 개폐장치의 접점이 열려 있는 상태(개방상태)를 나타내는 도면이다. 도면에서, 개폐장치(1)는 고정접점(2)과, 고정접점(2)에 접리(接離) 가능한 가동접점(3)과, 고정접점(2) 및 가동접점(3)을 수용하는 진공밸브(4)와, 고정접점(2)에 접리하는 방향으로 가동접점(3)을 변위시키는 전자석 장치(5)와, 전자석 장치(5)와 가동접점(3)을 연결하는 연결장치(6)를 가지고 있다.

가동접점(3)은 개폐장치(1)의 축선방향(이하, 간단히 「축선방향」이라고 함)으로의 변위에 의해 고정접점(2)에 접리한다. 개폐장치(1)의 접점은 가동접점(3)이 고정접점(2)에 접하는 것에 의해 닫히고, 가동접점(3)이 고정접점(2)으로부터 떨어지는 것에 의해 열린다.

진공밸브(4) 내는 고정접점(2) 및 가동접점(3) 사이의 소호(消弧)능력의 향상을 위해서 진공으로 유지되어 있다. 가동접점(3)의 고정접점(2)에 대한 접리는 진공밸브(4) 내에서 행해진다. 가동접점(3)이 고정접점(2)으로부터 떨어져 있을 때에는 진공밸브(4) 내가 진공이기 때문에 부압(負壓)이 되어, 가동접점(3)이 고정접점(2)에 대해서 닫으려고 하는 힘이 작용한다.

전자석 장치(5)는 판 모양의 지지판(7)에 지지되어 있다. 또, 전자석 장치(5)는 연결장치(6)를 통하여 가동접점(3)에 연결된 구동축(8)과, 가동접점(3)이 고정접점(2)으로부터 떨어지는 방향으로 구동축(8)을 가압하는 개방스프링(가압체)(9)과, 개방스프링(9)의 하중에 거슬러, 가동접점(3)이 고정접점(2)에 접하는 방향으로 구동축(8)을 변위시키는 전자석(10)을 가지고 있다.

구동축(8)은 지지판(7)을 축선방향으로 변위 가능하게 관통하고 있다. 또, 구동축(8)은 투자율(透磁率)이 낮은 재료(저자성 재료)(예를 들면 스테인리스 등)로 구성되어 있다.

전자석(10)은 고정철심(19)과, 구동축(8)이 고정되며, 고정철심(19)에 대해서 축선방향으로 변위 가능한 가동철심(20)이 마련되어 있다.

개방스프링(9)은 가동철심(20)과 지지판(7)의 사이에서 압축되어 있으며, 축선(軸線)방향으로 탄성반발력을 발생시키고 있다. 따라서, 구동축(8)은 가동철심(20)에 작용하는 개방스프링(9)의 탄성반발력에 의해, 가동접점(3)이 고정접점(2)으로부터 떨어지는 방향으로 가압된다.

전자석(10)은 지지판(7)에 장착되어 있다. 구동축(8)은 가동접점(3)이 고정접점(2)에 접하는 방향(폐극방향) 및 가동접점(3)이 고정접점(2)으로부터 떨어지는 방향(개극방향) 중 어느 한쪽으로 전자석(10)이 제어됨으로써 선택적으로 변위된다.

연결장치(6)는 축선방향으로 배치되어 가동접점(3)에 고정된 가동봉(13)과, 가동봉(13)의 중간부에 마련된 절연로드(14)와, 가동봉(13) 및 구동축(8) 사이에 장착된 접압장치(15)를 가지고 있다. 가동봉(13)은 중간부에 마련된 절연로드(14)의 양단부에 분리 고정됨으로써 전기적으로 절연되어 있다. 따라서, 전자석 장치(5)는 가동접점(3)에 대해서 절연로드(14)에 의해 절연되어 있다.

접압장치(15)는 가동봉(13)에 고정된 스프링 프레임(16)과, 구동축(8)의 선단부에 고정되고, 스프링 프레임(16) 내에 배치된 랫치판(latch plate)(17)과, 스프링 프레임(16)과 랫치판(17)과의 사이에서 수축되어 접속된 접압스프링(18)을 가지고 있다.

구동축(8)은, 랫치판(17)과 함께, 스프링 프레임(16)에 대해서 축선방향으로 변위 가능하게 되어 있다. 접압스프링(18)은 가동봉(13)으로부터 떨어지는 방향으로 구동축(8)을 가압하고 있다. 가동봉(13)으로부터 떨어지는 방향으로의 구동축(8)의 변위는 랫치판(17)의 스프링 프레임(16)에 대한 맞물림에 의해 규제된다.

가동철심(20)은 고정철심(19)으로부터 떨어진 후퇴위치(도 2)와, 후퇴위치보다도 고정철심(19)에 가까운 전진위치(도 1)와의 사이를 변위 가능하게 되어 있다. 가동접점(3)은 가동철심(20)이 후퇴위치에 있을 때에 고정접점(2)으로부터 떨어지며, 가동철심(20)이 전진위치에 있을 때에 고정접점(2)에 밀어붙여진다.

가동접점(3)이 고정접점(2)으로부터 떨어져 있을 때(도 2)에는, 구동축(8)이 축선방향으로 변위되면, 연결장치(6) 및 가동접점(3)이 구동축(8)과 함께 변위된다. 이 때에는 랫치판(17)이 접압스프링(18)의 하중에 의해 스프링 프레임(16)에 맞물려 있다. 또, 가동접점(3)이 고정접점(2)에 접하고 있을 때(도 1)에는, 구동축(8)은 접압스프링(18)의 하중에 거슬러, 스프링 프레임(16)에 대해서 폐극방향으로 더욱 변위 가능하게 되어 있다. 이것에 의해, 접압스프링(18)이 더욱 수축되어, 접압스프링(18)의 탄성반발력에 의해서 가동접점(3)이 고정접점(2)에 밀어붙여진다.

가동접점(3)이 고정접점(2)으로부터 떨어져 있는 상태로부터 폐극동작을 행할 때에는, 개방스프링(9)이 수축되면서, 구동축(8)이 연결장치(6) 및 가동접점(3)과 함께 폐극방향으로 변위된다. 이 후, 가동접점(3)이 고정접점(2)에 접하면, 연결장치(6) 및 가동접점(3)의 변위가 정지된다. 이 후에도, 구동축(8)이 폐극방향으로 더욱 변위되어, 접압스프링(18)이 수축된다. 이것에 의해, 가동접점(3)이 고정접점(2)으로 밀어붙여진다.

가동접점(3)이 고정접점(2)에 접하고 있는 상태로부터 개극동작을 행할 때에는, 개방스프링(9) 및 접압스프링(18)이 탄성적으로 복원되면서, 구동축(8)이 개극방향으로 변위된다. 이것에 의해, 랫치판(17)이 스프링 프레임(16)에 대해서 변위되어 스프링 프레임(16)에 맞물린다. 이 후에도, 구동축(8)은 개방스프링(9)의 하중에 의해 개극방향으로 더욱 변위된다. 이것에 의해, 가동접점(3)은 고정접점(2)으로부터 떨어진다.

도 3은 도 2의 전자석 장치(5)에서 전자석(10) 주변의 주요부를 나타내는 정단면도, 도 4는 도 3의 측단면도이다. 도 5는 도 3에서 전자석(10)의 사시도이다. 도면에서, 전자석(10)은 고정철심(19)과, 구동축(8)이 고정되고, 고정철심(19)에 대해서 축선방향으로 변위 가능한 가동철심(20)과, 고정철심(19)에 마련되고, 통전에 의해 자계를 발생하는 전자코일(21)과, 고정철심(19)에 마련된 영구자석(22)을 가지고 있다. 개방스프링(9)은 구동축(8)과 동축상에 배치되며, 가동철심(20)과 지지판(7)의 사이에 압축되어 있다.

가동철심(20)은 축선방향을 따라서 배치된 기간부(基幹部)(23)와, 기간부(23)의 측면으로부터 서로 반대 방향으로 돌출하는 한 쌍의 분기부(分岐部)(24)와, 구동축(8)에 연결되어 개방스프링(9)의 한쪽의 좌면(座面)과 접하는 벌크(bulk)재(101)를 가지고 있다. 각 기간부(23)는 축선방향과 평행하게 구동축(8)을 중심으로 하여 개방스프링(9)보다 외측의 위치에 배치되어 있다. 각 분기부(24)는 축선방향에 수직인 방향을 따라서 기간부(23)로부터 돌출해 있다. 구동축(8)은 벌크재(101)에 고정됨으로써, 가동철심(20)에 고정되어 있다.

고정철심(19)은 제1 고정철심부(26)와, 제1 고정철심부(26)에 마련되고, 가동철심(20)이 변위하는 영역을 피해서 배치된 한 쌍의 제2 고정철심부(27)를 가지고 있다(도 5).

제1 고정철심부(26)는 각 분기부(24)와 평행하게 배치된 가로철심부(28)와, 가로철심부(28)의 양단부로부터 각 분기부(24)를 향하여 연장하는 한 쌍의 세로철심부(29)를 가지고 있다. 가로철심부(28)에는 구동축(8)이 축선방향으로 변위 가능하게 관통하고 있다. 이 예에서는, 베어링이 지지판(7)에 마련되고, 구동축(8)이 베어링을 관통하고 있다. 각 세로철심부(29)는 축선방향을 따라서 배치되어 있다. 제1 고정철심부(26)의 적어도 일부는 축선방향으로의 투영면 내에서 가동철심(20)의 영역과 겹쳐져 있다.

각 제2 고정철심부(27)는 한쪽의 세로철심부(29) 및 다른 쪽의 세로철심부(29)에 각각 접합되어 있다. 또, 각 제2 고정철심부(27)는 축선방향에 수직인 방향에 대해서, 각 세로철심부(29)를 사이에 두고 있다. 또한, 각 제2 고정철심부(27)는 축선방향으로의 투영면 내에서, 가동철심(20)의 영역 외에 배치되어 있다. 더욱이 또한, 각 제2 고정철심부(27)는 가로철심부(28)와 평행한 요크(yoke)철심부(30)와, 요크철심부(30)와 각 세로철심부(29)와의 사이에 각각 개재하는 한 쌍의 스페이서(31)를 가지고 있다.

각 요크철심부(30)는 축선방향에 수직인 방향으로 기간부(23)로부터 떨어져 배치되어 있다. 따라서, 요크철심부(30)와 기간부(23)와의 사이의 간격은 가동철심(20)이 축선방향으로 변위되었을 때에도 변화하지 않는다. 각 요크철심부(30) 및 스페이서(31)의 재료는 자성 재료(예를 들면 강재(鋼材), 전자 연철, 규소강, 페라이트 및 퍼멀로이(permalloy) 등)이다.

가로철심부(28)의 중간부에는 제1 고정면(32)이 마련되고, 각 세로철심부(29)의 선단부에는 제2 고정면(33)이 마련되어 있다(도 3). 즉, 제1 고정철심부(26)에는 축선방향으로 투영했을 때에 서로 떨어진 위치가 되도록 제1 고정면(32) 및 제2 고정면(33)이 마련되어 있다. 제1 고정면(32) 및 각 제2 고정면(33)은 축선방향에 수직인 면이다.

기간부(23)에는 축선방향에 대해서 제1 고정면(32)에 대향하는 제1 가동면(34)이 마련되며, 각 분기부(24)의 선단부에는 축선방향에 대해서 제2 고정면(33)에 대향하는 제2 가동면(35)이 마련되어 있다. 제1 가동면(34) 및 각 제2 가동면(35)은 축선방향에 수직인 면이다.

영구자석(22)은 각 요크철심부(30)의 각각에 마련되어 있다. 또, 영구자석(22)은 각 요크철심부(30)와 기간부(23)와의 사이에 각각 배치되어 있다. 또한, 각 영구자석(22)은 축선방향으로의 투영면 내에서 제1 가동면(34) 및 제2 가동면(35)의 각 영역 외에 배치되어 있다. 이 예에서는, 각 영구자석(22)은 축선방향으로의 투영면 내에서, 가동철심(20)의 영역 외에 배치되어 있다.

각 영구자석(22)은 N극 및 S극(한 쌍의 자극)을 가지고 있다. 이것에 의해, 영구자석(22)은 가동철심(20)을 전진위치로 유지하는 유지용 자속을 발생하고 있다. 또, 각 영구자석(22)은 축선방향에 수직인 방향에 대해서, N극 및 S극 중 어느 하나만을 기간부(23)에 대향시켜서 배치되어 있다. 즉, 각 영구자석(22)이 발생하는 유지용 자속의 방향은 영구자석(22)과 기간부(23)와의 사이에서, 축선방향에 대해서 대략 수직으로 되어 있다. 이 예에서는, 각 영구자석(22)의 N극이 기간부(23)에 대향하며, 각 영구자석(22)의 S극이 요크철심부(30)에 고정되어 있다.

전자코일(21)은 기간부(23)와 세로철심부(29)와의 사이를 통과하도록 배치되어 있다. 이 예에서는, 전자코일(21)은 축선방향으로의 투영면 내에서, 기간부(23)를 둘러싸고 있다. 이것에 의해, 전자코일(21)은 통전되면, 고정철심(19) 및 가동철심(20)을 통과하는 자속을 발생한다. 또, 전자코일(21)이 발생하는 자속의 방향은 전자코일(21)로의 통전방향의 전환에 의해, 반전 가능하게 되어 있다. 또한, 전자코일(21)의 중심축선은 개폐장치(1)의 축선과 대략 일치하고 있다.

가동철심(20)의 기간부(23)와 분기부(24)는 자성 재료로 구성된 복수의 박판이 축선방향에 수직인 방향으로 적층된 적층체이다.

또한, 가동철심(20)의 기간부(23)와 분기부(24)의 재료로서는, 투자율이 높은 자성 재료이면 되고, 예를 들면 강재, 전자 연철, 규소강, 페라이트 및 퍼멀로이 등을 들 수 있다. 또, 가동철심(20)은, 예를 들면 철분(鐵粉)을 압축하여 굳힌 압분(壓粉)철심으로 해도 된다. 제1 고정철심부(26)는 자성 재료의 박판이 축선방향에 수직인 방향으로 적층된 적층체이다.

각 요크철심부(30)는 직방체로 성형된 강재이다. 스페이서(31)는 판 모양으로 성형된 소정의 두께의 강재이다. 요크철심부(30) 및 스페이서(31)는 제1 고정철심부(26)의 박판(39)의 적층방향에 대해서, 스페이서(31) 및 요크철심부(30)의 순서로 제1 고정철심부(26)에 겹쳐져 있다.

또한, 고정철심(19)의 재료로서는 투자율이 높은 자성 재료이면 되고, 예를 들면 강재, 전자 연철, 규소강, 페라이트 및 퍼멀로이 등을 들 수 있다. 또, 고정철심(19)은, 예를 들면 철분을 압축하여 굳힌 압분철심으로 해도 된다. 또한, 이 예에서는, 박판을 적층함으로써 제1 고정철심부(26)가 제작되어 있지만, 자성 재료의 일체 성형에 의해 제1 고정철심부(26)를 제작해도 되고, 복수의 분할체를 조합함으로써 제1 고정철심부(26)를 제작해도 된다. 또, 이 예에서는, 요크철심부(30)가 자성 재료의 일체 성형에 의해 제작되어 있지만, 박판을 적층함으로써 요크철심부(30)를 제작해도 되고, 복수의 분할체를 조합함으로써 요크철심부(30)를 제작해도 된다.

개방스프링(9)은 한쪽의 좌면이 가동철심(20)의 벌크재(101)와 접해 있고, 다른 쪽의 좌면이 지지판(7)에 접하고 있다. 개방스프링(9)은 구동축(8)과 동축상에 배치되며, 전자코일(21) 내를 관통하도록 배치되어 있다. 또, 개방스프링(9)은 고정철심(19)의 축방향의 범위 내에 배치되어 있다. 가동철심(20)의 기간부(23)의 일부는 전자코일(21)을 관통하고 있다. 도 3에서 전자코일(21)의 축방향의 존재 범위에서, 구동축(8)으로부터 개방스프링(9), 가동철심(20), 전자코일(21), 고정철심(19)의 순서로 배치되어 있다.

도 6은 도 5의 가동철심(20)이 영구자석(22)의 유지용 자속에 의해 전진위치로 유지되어 있을 때의 전자석(10)의 자기회로를 설명하는 일부 파단 사시도이며, 구동축(8), 개방스프링(9), 가동철심(20)의 벌크재(101)를 생략하고 있다. 도면에서, 영구자석(22)이 발생하는 유지용 자속은 제1 자속경로(44) 혹은 제2 자속경로(45)를 통과하고 있다. 제1 자속경로(44)는 영구자석(22)으로부터 기간부(23), 제1 가동면(34), 제1 고정면(32), 가로철심부(28), 세로철심부(29), 스페이서(31) 및 요크철심부(30)의 순서로 통과하여, 영구자석(22)으로 돌아오는 경로이다. 제2 자속경로(45)는 영구자석(22)으로부터 기간부(23), 분기부(24), 제2 가동면(35), 제2 고정면(33), 세로철심부(29), 스페이서(31) 및 요크철심부(30)의 순서로 통과하여, 영구자석(22)으로 돌아오는 경로이다.

가동철심(20)이 전진위치에 있을 때에는, 제1 고정면(32)과 제1 가동면(34)과의 틈새 및 제2 고정면(33)과 제2 가동면(35)과의 틈새는 가동철심(20)이 후퇴위치에 있을 때보다도 좁게 되어 있다. 이것에 의해, 제1 자속경로(44) 및 제2 자속경로(45)의 자기저항이 작아진다. 따라서, 제1 고정면(32)과 제1 가동면(34)과의 사이의 흡인력 F1 및 제2 고정면(33)과 제2 가동면(35)과의 사이의 흡인력 F2가 커져, 가동철심(20)은 개방스프링(9) 및 접압스프링(18)의 하중에 거슬러 전진위치로 유지된다. 또, 흡인력 F1과 흡인력 F2와 가동부의 마찰력의 총합이 개방스프링(9) 및 접압스프링(18)의 하중 이상이 되어 전진위치로 유지된다.

다음으로, 동작에 대해서 설명한다. 가동접점(3)이 고정접점(2)으로부터 떨어진 개극상태일 때에는, 가동철심(20)은 개방스프링(9)의 하중에 의해 후퇴위치로 변위되어 있다. 전자코일(21)로의 통전에 의해, 가동철심(20)이 제1 고정철심부(26)에 흡인되고, 개방스프링(9)의 하중에 거슬러, 후퇴위치로부터 전진위치를 향하여 변위된다. 이것에 의해, 가동접점(3)은 고정접점(2)을 향하여 변위된다.

이 후, 가동접점(3)이 고정접점(2)에 접하면, 가동접점(3)의 변위는 정지된다. 그러나, 가동철심(20)은 더욱 변위되어 전진위치에 이른다. 이것에 의해, 접압스프링(18)이 수축되어, 가동접점(3)이 고정접점(2)에 밀어붙여져 폐극동작이 완료한다(도 1).

가동철심(20)이 전진위치에 이르면, 제1 자속경로(44) 및 제2 자속경로(45)를 통과하는 영구자석(22)의 유지용 자속에 의해서 가동철심(20)이 제1 고정철심부(26)에 흡인 유지되어(도 6), 가동철심(20)이 전진위치로 유지된다.

가동철심(20)의 전진위치에서의 유지를 해제할 때에는, 폐극동작시와 역방향으로 전자코일(21)로의 통전이 행해진다. 전자코일(21)로의 통전이 행해지면, 가동철심(20)과 제1 고정철심부(26)와의 사이의 흡인력이 전체적으로 저하하고, 개방스프링(9) 및 접압스프링(18)의 각 하중에 의해서, 가동철심(20)의 전진위치로부터 후퇴위치로의 변위가 개시된다. 이 때, 가동접점(3)은 고정접점(2)에 밀어붙여진 채로 되어 있다.

이 후, 가동철심(20)이 후퇴위치를 향하여 더욱 변위되면, 랫치판(17)이 스프링 프레임(16)에 맞물린다. 이 후에도, 가동철심(20)이 후퇴위치를 향하여 변위됨으로써, 가동접점(3)은 고정접점(2)으로부터 떨어진다. 개방스프링(9)의 하중은 진공밸브(4)의 가동접점(3)이 고정접점(2)에 대해서 닫으려고 하는 힘보다도 크다. 이 후, 가동철심(20)이 더욱 변위되어 후퇴위치에 이른다. 이것에 의해, 개극동작이 완료한다(도 2).

이와 같은 전자석 장치(5)에서는, 개극상태(도 2)에서는 진공밸브(4)가 진공용기로 되어 있기 때문에 부압에 의해 가동접점(3)이 고정접점(2)에 대해서 닫으려고 하는 폐극방향으로 작용하는 하중보다, 개방스프링(9)의 하중이 커서, 안정적으로 개극상태를 유지할 수 있다. 또, 가동부의 마찰력과 개방스프링(9)의 하중의 총합이 진공밸브(4)의 진공용기의 부압에 의해 가동접점(3)이 고정접점(2)에 대해서 닫으려고 하는 폐극방향으로 작용하는 하중보다 크게 되어 있어도, 안정적으로 개극상태를 유지할 수 있다.

한편, 폐극상태(도 1)에서는, 영구자석(22)이 가동철심(20)을 전진위치로 유지하는 유지용 자속을 발생하고 있다. 영구자석(22)의 자속에 의해 발생하는 폐극방향으로의 하중인 흡인력 F1과 흡인력 F2가 가동철심(20)에 작용하고 있어, 개방스프링(9) 및 접압스프링(18)의 하중의 총합보다 크기 때문에 안정적으로 폐극상태를 유지할 수 있다. 또, 흡인력 F1과 흡인력 F2와 가동부의 마찰력의 총합이 개방스프링(9) 및 접압스프링(18)의 하중의 총합 이상이 되어도, 안정적으로 폐극상태를 유지할 수 있다.

개방스프링(9)의 하중은 가동철심(20)의 가동 범위의 전체 범위에서 작용하고 있으며, 한편, 접압스프링(18)의 하중은 가동철심(20)의 가동 범위의 일부에서 작용하고 있기 때문에, 개방스프링(9)의 쪽이 접압스프링(18)보다도 전체 길이가 길다. 또, 개방스프링(9)은 구동축(8)과 동축상에 배치되고, 전자코일(21) 내를 관통하도록 배치되어 있다. 개방스프링(9)은 고정철심(19)의 축방향의 범위 내에 배치되어 있다. 가동철심(20)의 기간부(23)의 일부는 전자코일(21)을 관통하고 있다. 도 3에서 전자코일(21)의 축방향의 존재 범위에서, 구동축(8)으로부터 개방스프링(9), 가동철심(20), 전자코일(21), 고정철심(19)의 순서로 배치되어 있다. 상기의 배치로 함으로써, 전자석 장치(5)의 축방향의 길이를 축방향으로 전자석(10)과 개방스프링(9)을 배치했을 때보다도 단축할 수 있다. 따라서, 본 전자석 장치(5)를 이용한 개폐장치(1)의 전체 길이를 단축할 수 있다.

가동철심(20)의 기간부(23)와 분기부(24) 및 고정철심(19)의 제1 고정철심부(26)는 전자코일(21)이 발생하는 자속이 통과하는 주요부로서, 전자코일(21)이 발생하는 자속의 방향에 대해서 대체로 수직인 방향으로 자성 재료의 박판을 적층하여 구성되어 있기 때문에, 전자코일(21)에 통전하여 전자석(10)을 동작시킬 때에, 자성 재료 내부에 발생하는 와전류를 억제할 수 있고, 와전류 발생에 의한 동작 지연을 방지할 수 있어, 시간적으로 고정밀도로 개폐장치(1)를 구동할 수 있게 된다.

또, 전자코일(21)이 발생하는 자속은 물리의 최소 작용의 법칙에 의해, 전자코일(21)의 바로 옆을 주회(周回)하는 자속이 가장 강하다. 전자코일(21)에 직접 대면하고 있는 것은 가동철심(20)의 기간부(23) 및 분기부(24)이며, 벌크재(101)는 발생 자속이 낮은 영역에 배치되었기 때문에, 전자석(10)의 동작에 주는 영향이 작아, 시간적으로 고정밀도로 개폐장치(1)를 구동할 수 있다.

전자석(10)의 영구자석의 자속에 의해 발생하는 흡인력은 축방향으로 힘이 작용할 때가 가장 강하다. 축방향에 대해서 수직인 방향 성분의 하중이 가해졌을 때에는 흡인력이 저하한다. 따라서, 개방스프링(9)의 좌면이 기울어지면, 축방향에 대해서 수직인 방향 성분의 하중이 발생하기 때문에, 좌면의 기울기를 억제할 필요가 있다. 개방스프링(9)의 한쪽의 좌면이 가동철심(20)의 벌크재(101)와 접하고 있고, 다른 쪽의 좌면이 지지판(7)과 접하고 있기 때문에, 적층한 박판의 적층면에서 받았을 때보다도 개방스프링(9)의 좌면의 기울기를 억제할 수 있어, 개방스프링(9)의 하중의 기울기에 의한 전자석(10)의 흡인력의 저하를 억제할 수 있다.

실시형태 2

실시형태 1의 전자석 장치(5)에 있어서, 지지판(7)을 비자성 재료로 함으로써, 전자석(10)의 흡인력의 저하를 억제할 수 있다. 도 7에 전자석(10)의 흡인력이 저하하는 경우의 구성을 나타내고, 원리를 설명한다. 도 7은 실시형태 1에서의 도 3의 전자석(10)이 폐극상태에 상당한다. 도 7에는 영구자석(22)의 자속(102)과 자속(103)을 나타냈다. 영구자석(22)에서 발생하는 자속은 영구자석(22)의 N극으로부터 나와, 주로 비자성 영역이 가장 작아지는 자성 재료로 구성된 폐회로를 통과한다. 자속(102) 및 자속(103)은 도 7에서의 자성 재료 부분을 통과하고 있다. 구체적으로는, 자속(102)은 가동철심(20)과 고정철심(19)을 통과하고 있다. 자속(103)은 가동철심(20)과 개방스프링(9)과 고정철심(19)을 통과하고 있다. 자속(102)은 축선방향에 수직인 고정철심(19)의 제1 고정면(32)과 가동철심(20)의 제1 가동면(34)을 통과하고 있다. 영구자석(22)에서 발생하는 자속(102)이 고정철심(19)의 제1 고정면(32)과 가동철심(20)의 제1 가동면(34)을 통과함으로써, 가동철심(20)을 고정철심(19)에 흡인하는 힘이 발생하고 있다. 한편, 자속(103)은 가동철심(20)과 고정철심(19)가 접한 축방향에 수직인 면을 통과하지 않기 때문에, 가동철심(20)과 고정철심(19)을 흡인하는 힘이 발생하지 않는다. 즉, 영구자석(22)에서 발생하는 자속의 일부는 가동철심(20)을 고정철심(19)에 흡인하는 힘에 기여하지 않는다. 또, 근사적으로는 영구자석(22)에 의해 발생하는 자속의 총량은 일정하며, 가동철심(20)을 고정철심(19)에 흡인하는 면을 통과하지 않는 자속(103)이 존재하는 경우, 영구자석(22)에서 발생하는 자속 모두가 가동철심(20)을 고정철심(19)에 흡인하는 힘에 기여하고 있는 상태가 아니고, 흡인력의 관점에서 효율이 낮은 구성으로 되어 있다.

도 3에서, 지지판(7)을 비자성 재료로 하면, 영구자석(22)에서 발생하는 자속이 개방스프링(9)을 통과하는 자성 재료의 폐회로의 일부가 비자성화하게 되어, 자속(103)의 경로를 삭감할 수 있기 때문에, 전자석(10)의 흡인력의 저하를 억제할 수 있다. 영구자석(22)에서 발생하는 자속에 의한 흡인력의 발생을 고효율화할 수 있어, 보다 강도가 높은 안정한 흡인력을 발생할 수 있다.

실시형태 3

실시형태 1의 전자석 장치(5)에 있어서, 전자석(10)의 가동철심(20)의 벌크재(101)를 비자성 재료로 함으로써, 영구자석(22)에서 발생하는 자속이 개방스프링(9)을 통과하는 자성 재료의 폐회로의 일부가 비자성화하게 되어, 실시형태 2와 마찬가지로 전자석(10)의 흡인력의 저하를 억제할 수 있다.

실시형태 4

실시형태 1에서는 구동축(8)은 비자성 재료로 구성했지만, 실시형태 2 또는 실시형태 3의 구성에서는 구동축(8)은 자성 재료인 강재를 이용할 수 있다. 영구자석(22)과 구동축(8)의 경로의 사이에 비자성 재료의 지지판(7) 또는 벌크재(101)가 존재하기 때문에, 영구자석(22)에서 발생하는 자속의 경로가 되지 않고, 구동축(8)을 자성 재료로 함으로써 가동철심(20)과 고정철심(19)은 흡인력이 저하하지 않기 때문이다. 구동축(8)에서 자성 재료의 채용을 가능하게 함으로써, 구동축(8)에 대해서 저비용으로 고강도의 강재를 사용할 수 있게 되어, 전자석 장치(5)의 저비용화와 안정 동작화를 실현할 수 있다.

실시형태 5

실시형태 1의 전자석 장치(5)에 있어서, 개방스프링(9)을 비자성 재료로 함으로써, 영구자석(22)에서 발생하는 자속이 개방스프링(9)을 통과하는 자성 재료의 폐회로의 개방스프링(9)이 비자성화하게 되어, 실시형태 2와 마찬가지로 전자석(10)의 흡인력의 저하를 억제할 수 있다.

실시형태 6

도 8은 본 발명의 실시형태 6에 의한 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도이다. 도 8에서 가동철심(20)은 실시형태 1의 도 3의 구성과 달리, 벌크재(101)의 부분을 포함하여 모두 박판을 적층하여 구성하고 있다. 개방스프링(9)에서 가동철심(20)에 대향하는 좌면과 가동철심(20)의 사이에는 비자성 재료의 판(105)을 배치했다. 따라서, 영구자석(22)에서 발생하는 자속이 개방스프링(9)을 통과하는 자성 재료의 폐회로의 일부가 비자성화하게 되어, 실시형태 2와 마찬가지로 전자석(10)의 흡인력의 저하를 억제할 수 있다. 또, 동일한 효과를 얻기 위해서, 도 9에 나타내는 바와 같이, 비자성 재료의 판을 개방스프링(9)과 지지판(7)의 사이에 배치해도 된다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 개방스프링(9)의 양측의 좌면에 비자성 재료의 판(105)을 배치해도 된다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 지지판(7)을 비자성 재료로 구성해도 된다.

실시형태 7

도 12는 본 발명의 실시형태 7에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도이다. 도 13은 상면도면이다. 도 12에서 개방스프링 서포트(107)는 가동철심(20)의 분기부(24)에서 고정철심(19)과 대향하는 면과 반대 측에 스토핑 클램프(108)로 고정되어 있다. 개방스프링(9)은 구동축(8)과 동축으로 전자석(10)을 주회하도록 배치되어 있다. 배치의 순서는 구동축(8)과 가동철심(20)과 전자코일(21)과 고정철심(19)과 개방스프링(9)이 축방향으로 겹쳐져 존재하는 영역에서 구동축(8), 가동철심(20), 전자코일(21), 고정철심(19), 개방스프링(9)의 순서로 배치되어 있다.

개방스프링(9)의 하중은 가동철심(20)의 가동 범위의 전체 범위에서 작용하고 있으며, 한편, 접압스프링(18)의 하중은 가동철심(20)의 가동 범위의 일부에서 작용하고 있기 때문에, 개방스프링(9)의 쪽이 접압스프링(18)보다도 전체 길이가 길다. 또, 개방스프링(9)은 구동축(8)과 동축상에 배치되며, 전자석(10)의 외주부에 배치되어 있다. 개방스프링(9)은 전자석(10)의 축방향의 범위 내에 배치되어 있다. 상기의 배치로 함으로써, 전자석 장치(5)의 축방향의 길이를 축방향으로 전자석(10)과 개방스프링(9)을 배치했을 때보다도 단축할 수 있다. 따라서, 본 전자석 장치(5)를 이용한 개폐장치(1)의 전체 길이를 단축할 수 있다.

실시형태 8

도 14는 본 발명의 실시형태 8에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도이다. 도 15는 상면도이다. 도 14에서, 실시형태 7에서는 한 개로 구성하고 있던 개방스프링(9)을 복수 개로 구성한 것이다. 본 구성에서도 실시형태 7과 동일한 효과를 가진다. 또, 전자석(10)의 주위에 구동축(8)에 대해서 동축이 되도록 배치함으로써, 개개의 개방스프링(9)에서의 하중의 편차를 평균화할 수 있고, 전자석(10)의 가동철심(20)에 대한 편하중을 억제함으로써, 전자석(10)의 흡인력의 저하를 방지할 수 있다.

실시형태 9

도 16은 본 발명의 실시형태 9에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도이다. 도 16에서, 지지판(7)에 고정된 베어링 지지부(109)는 축방향으로 전자석(10)의 고정철심(19)의 일부를 관통하고, 가동철심(20)의 일부를 관통하며, 구동축(8)의 베어링(111)을 축방향으로 가동철심과 영역 내에 오도록 배치하고 있다. 본 배치로 함으로써, 베어링 지지부(109)의 내부에 접압장치(15)를 배치할 수 있어, 전자석 장치(5)의 축방향의 길이를 축방향으로 전자석(10)과 접압장치(15)를 배치했을 때보다도 단축할 수 있다. 따라서, 본 전자석 장치(5)를 이용한 개폐장치(1)의 전체 길이를 실시형태 8보다 더욱 단축할 수 있다.

실시형태 10

도 17은 본 발명의 실시형태 10에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도이다. 도 17에서, 구동축(8)에 대해서 대칭으로 배치된 한 쌍의 제1 연결링크(113)에서 한쪽의 단부는 핀(115)으로 가동철심(20)에 연결한 구동축(8)에 연결되어 있다. 제1 연결링크(113)의 다른 쪽의 단부는 핀(117)으로 구동축(8)에 대칭의 위치에 쌍을 이루어 배치된 구동레버(119)에 연결되어 있다. 제1 연결링크(113)에 연결된 구동레버(119)는 다른 쪽의 단부가 지지판(7)에 고정된 지점부재(121)에 회동 가능하도록 핀(123)으로 연결되어 있다.

개방스프링(9)은 분할되어, 구동축(8)에 대칭의 위치에 배치되어 있다. 개방스프링(9)의 하중을 받는 개방스프링 서포트(125)가 개방스프링(9)의 좌면에 접해서 배치되어 있으며, 개방스프링 서포트(125)에는 구동축(127)이 장착되어 있다. 구동축(127)의 다른 쪽의 끝단은 제2 연결링크(129)에 핀(131)으로 연결되어 있다. 제2 연결링크의 다른 쪽의 끝단은 핀(133)으로 구동레버(119)에 연결되어 있다.

도 17과 같이 구성된 전자석 장치(5)에서는 지점부재(121)로부터 개방스프링(9)이 작용하는 핀(113), 전자석(10)의 구동축(8)이 작용하는 핀(115)의 순서로 배치되기 때문에, 전자석(10)의 가동철심(20)의 가동 범위에 대해서, 개방스프링(9)의 압축 범위를 축소할 수 있기 때문에, 개방스프링(9)을 소형화할 수 있다. 또, 전자석(10)에 대해서 돌출한 부분은 연결링크의 배치에 의해 단축할 수 있다. 따라서, 본 전자석 장치(5)의 전체 길이를 단축할 수 있어, 본 전자석 장치(5)를 이용한 개폐장치(1)의 전체 길이를 단축할 수 있다.

실시형태 11

도 18은 본 발명의 실시형태 11에서의 전자석 장치(5)의 주요부를 나타내는 정단면도이다. 실시형태 10과 비교하여, 연결링크부를 전자석 장치(5)의 개극 측에 마련한 것이며, 본 구성에 의해서도, 실시형태 10과 전자석 장치(5)의 전체 길이를 단축할 수 있어, 본 전자석 장치(5)를 이용한 개폐장치(1)의 전체 길이를 단축할 수 있다.

실시형태 12

상기 실시형태 1 내지 실시형태 11 중 어느 하나의 전자석 장치(5)를 적용함으로써, 전자석 장치(5)를 이용한 개폐장치(1)의 전체 길이를 단축할 수 있어 소형화를 실현할 수 있다.

1 개폐장치, 2 고정접점,
3 가동접점, 5 전자석 장치,
8 구동축, 9 개방스프링
10 전자석, 19 고정철심,
20 가동철심, 21 전자코일,
22 영구자석, 23 기간부,
24 분기부, 32 제1 고정면,
33 제2 고정면, 34 제1 가동면,
35 제2 가동면

Claims

고정철심, 가동철심, 상기 고정철심에 자극의 한쪽의 면이 대향하고 자극의 다른 쪽의 면이 가동철심에 대향하여 상기 고정철심에 고정된 영구자석, 상기 가동철심에 연결된 축, 상기 축을 권회(卷回)하도록 배치한 전자코일, 상기 가동철심의 가동 범위에서 상기 가동철심의 상기 축과 수직인 면에 접하는 개방스프링을 구비한 전자석에 있어서, 상기 가동철심과 상기 고정철심이 접하는 상기 가동철심의 상기 가동 범위의 한쪽의 극한(極限) 위치에 있을 때에, 상기 축으로부터 외측을 향하여 상기 개방스프링, 상기 가동철심, 상기 전자코일, 상기 고정철심의 순서로 동축상에 배치함과 아울러, 상기 개방스프링, 상기 가동철심, 상기 전자코일, 상기 고정철심의 각각의 축방향 치수의 전부 혹은 일부가 상기 축의 반경방향으로 보아 서로 겹치도록 배치한 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 고정철심과 상기 가동철심의 일부 또는 모두가 자성체의 판을 적층하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 개방스프링의 상기 가동철심과 접하는 면의 다른 쪽의 면은 상기 전자석 장치를 설치한 지지판으로 한 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 지지판은 비자성 재료로 한 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 가동철심에서 상기 개방스프링의 좌면(座面)과 접하는 면은 벌크(bulk)재로 구성한 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 가동철심의 상기 벌크재는 비자성 재료로 한 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 개방스프링의 한쪽 또는 양쪽의 좌면에 비자성 재료의 판을 설치한 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 개방스프링을 비자성 재료로 구성한 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 가동철심에 연결된 상기 축은 자성을 가지는 강재(鋼材)로 한 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
고정철심, 가동철심, 상기 고정철심에 자극의 한쪽의 면이 대향하고 자극의 다른 쪽의 면이 상기 가동철심에 대향하여 상기 고정철심에 고정된 영구자석, 상기 가동철심에 연결된 축, 상기 축을 권회하도록 배치한 전자코일, 상기 가동철심의 가동 범위에서 상기 가동철심의 상기 축과 수직인 면에 접하는 개방스프링을 구비한 전자석에 있어서, 상기 가동철심과 상기 고정철심이 접하는 상기 가동철심의 상기 가동 범위의 한쪽의 극한 위치에 있을 때에, 상기 축으로부터 외측을 향하여 상기 가동철심, 상기 전자코일, 상기 고정철심, 상기 개방스프링의 순서로 동축상에, 상기 가동철심, 상기 전자코일, 상기 고정철심, 상기 개방스프링의 각각의 축방향 치수의 전부 혹은 일부가 상기 축의 반경방향으로 보아 서로 겹치도록 배치함과 아울러, 상기 축을 중심으로 하여 상기 고정철심의 외주부에 한 개 내지 복수 개의 상기 개방스프링을 구비한 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 가동철심과 상기 고정철심이 접하는 상기 가동철심의 상기 가동 범위의 한쪽의 극한 위치에 있을 때에, 상기 축의 베어링을 구비한 베어링 지지부재가, 상기 전자석이 장착되는 지지판으로부터 상기 고정철심의 전부, 상기 가동철심의 일부를 관통해서 배치된 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
가동철심과 상기 가동철심에 연결한 축을 구비한 전자석에 있어서, 상기 축에 연결한 한 쌍의 제1 연결링크, 상기 축에 대해 대칭의 위치에 배치되고, 그 일단은 상기 제1 연결링크에 연결되며, 그 타단은 상기 전자석의 지지부의 지지점에 회동 가능하도록 핀으로 연결된 한 쌍의 구동레버, 상기 가동철심에 연결한 상기 축의 축방향에 대해서 대칭의 위치에 배치된 개방스프링, 상기 개방스프링의 한쪽의 끝단에 접하고 있으며, 상기 구동레버에 연결된 한 쌍의 개방스프링 서포트를 구비하고, 상기 개방스프링 서포트와 상기 구동레버는 제2 연결링크로 핀 결합된 것을 특징으로 하는 전자석 장치.
청구항 1, 청구항 10, 청구항 12 중 어느 한 항에 기재한 전자석 장치를 이용한 개폐장치.
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