WO2009090744A1

WO2009090744A1 - ３安定形揺動電磁アクチュエータ

Info

Publication number: WO2009090744A1
Application number: PCT/JP2008/050545
Authority: WO
Inventors: Kazuki Takahashi; Takafumi Nakagawa; Mitsuru Tsukima
Original assignee: Mitsubishi Electric Corporation
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2009-07-23
Also published as: JP4990376B2; EP2234251A1; JPWO2009090744A1; CN101911449A; EP2234251B1; CN101911449B; US20100301686A1; EP2234251A4; US8242643B2

Abstract

　３安定形揺動電磁アクチュエータ（１０１）は、円筒状を成し中心方向に向けて複数の第１の磁極（４５ｂ）が突設された固定子（４５）と、固定子の内側で、円周方向に沿って延び、該円周に沿って往復回動可能に支持された可動子（１）と、第１の磁極に巻き回され、可動子の回動範囲の一端側である第１安定位置と、他端側である第２安定位置と、中間位置である中立位置の３位置に停止するように付勢する複数のコイル（４７Ａ～４７Ｆ）を備え、第１安定位置及び第２安定位置において、可動子の回転方向端部に当接して可動子を押し止める磁性体で成る第２の磁極（２１ａ，２１ｂ）が設けられている。

Description

３安定形揺動電磁アクチュエータ

　本発明は、可動子が３箇所で安定する３安定形揺動電磁アクチュエータに関するものである。

　一般に、電磁アクチュエータは、短ストロークで強い電磁力を発生することを可能とし、真空遮断器の機構部分に等に用いられることが多い。しかしながら、真空遮断器以外の開閉器や断路器では、長ストロークで回転駆動をするものが多い。

　そして、可動子の安定する位置の数に関して、開閉器や断路器の「入り」、「切り」の動作と連動して、可動子が２箇所で停止する双安定形電磁アクチュエータや、２つの固定接点と１つの可動接点から構成される開閉器や断路器の「入り」、「切り」、「入り」の動作と連動して、可動子が３箇所で停止する３安定形揺動電磁アクチュエータがある。

　例えば、特許文献１の電磁アクチュエータは、双安定形であり、特に特許文献１のものは、双安定で短ストロークのため、低圧の開閉器の接点に適するものである。また、特許文献２の電磁アクチュエータは、３安定形のものであり、長ストロークであるが、磁束の経路は主に径方向であるため、磁束の回転駆動力への寄与は低く、効率が悪い。そのため、大きな駆動力を必要とする大型電力用開閉器の接点に適用するためには、大型化しなければならない。

特開２００１－２９７９１２号公報特開昭６１－１６５０４号公報

　上記電磁アクチュエータにおいて、連結される開閉器の接点は、大型電力用の場合、開閉時の接触抵抗を低減させるために、フィンガーコンタクトやスライドコンタクトを用いている。そのため、接点の「入り」動作では駆動初期の負荷が小さく駆動後期に負荷が大きくなる。また、「切り」動作では、接点を引き離す駆動初期に負荷が大きく、接点が離れた駆動後期に負荷が小さくなる。このように、接点の位置により、大きく負荷が異なるという課題がある。

　一方、電磁アクチュエータの動力源としてはＤＣ電源やコンデンサが用いられている。ＤＣ電源を用いる場合は、問題ないが、コンデンサを用いる場合は、パルス放電となるために駆動初期には電流が大きく駆動後期は電流が小さくなる。電磁力に寄与する磁束と電流には比例関係が成り立つ。そのため、コンデンサを用いた場合は、開閉器の「入り」、「切り」動作ともに駆動後期に通電電流は小さくなり電磁力が小さくなるという問題がある。

　開閉器の「切り」動作は、負荷の大きい駆動初期に電流が大きく、負荷の小さい駆動後期に電流が小さいという負荷カーブに適した電磁力カーブとなる。しかし、「入り」動作は、負荷の小さい駆動初期に電流が大きく、負荷の大きい駆動後期には電流が小さくなる。負荷の大きい駆動後期に大きな電流を得るためには、大容量のコンデンサを使用しなければならない。そのため、「入り」動作の駆動後期で小さな電流で大きなトルクが出るように、高効率化が必要となる。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、磁束を効率よくトルクに変換することにより、コンパクト化や省電力化を可能とするとともに、安定位置にて可動子を確実に停止させることができる３安定形揺動電磁アクチュエータを得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の３安定形揺動電磁アクチュエータは、円筒状を成し中心方向に向けて複数の第１の磁極が突設された固定子と、前記固定子の内側で、円周方向に沿って延び、該円周に沿って往復回動可能に支持された可動子と、前記第１の磁極に巻き回され、前記可動子の回動範囲の一端側である第１安定位置と、他端側である第２安定位置と、中間位置である中立位置の３位置に停止するように付勢する複数のコイルを備え、前記第１安定位置及び前記第２安定位置において、前記可動子の回転方向端部に当接して当該可動子を押し止める磁性体で成る第２の磁極が設けられていることを特徴とする。

　この発明によれば、磁性体で成り磁極として動作するとともに、可動子の回転方向端部に当接して可動子を押し止める第２の磁極を有しているので、磁束を効率よくトルクに変換してコンパクト化や省電力化を可能とするとともに、安定位置にて可動子を確実に停止させることができるという効果を奏する。

図１は本発明の実施の形態１の３安定形揺動電磁アクチュエータの中立位置から第１安定位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図２は可動子が第１安定位置にある様子を示す断面図である。図３は可動子が第２安定位置にある様子を示す断面図である。図４は３安定形揺動電磁アクチュエータに連結される開閉器の接点の負荷曲線を示す図である。図５は中立位置から第１安定位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図６は中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図７は第１安定位置から中立位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図８は第１安定位置から中立位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図９は本発明の実施の形態２の３安定形揺動電磁アクチュエータの中立位置から第１安定位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１０は中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１１は第１安定位置から中立位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１２は第１安定位置から中立位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１３は本発明の実施の形態３の３安定形揺動電磁アクチュエータの中立位置から第１安定位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１４は中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１５は第１安定位置から中立位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１６は第１安定位置から中立位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１７は本発明の実施の形態４の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図であり、中立位置から第１安定位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１８は中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１９は第１安定位置から中立位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図２０は第１安定位置から中立位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図２１は本発明の実施の形態５の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図である。図２２は中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図２３は本発明の実施の形態６の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図である。図２４は図２３のＡ－Ａ線に沿う矢視断面図である。図２５は本発明の実施の形態７の３安定形揺動電磁アクチュエータの中立位置から第１安定位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図２６は同じく中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図２７は本発明の実施の形態８の３安定形揺動電磁アクチュエータの中立位置において第２の永久磁石の発生する磁束の様子を示す断面図である。図２８は第１安定位置に安定する可動子の様子を示す断面図である。図２９は本発明の実施の形態９の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図である。図３０は図２９のＢ－Ｂ線に沿う矢視断面図である。図３１は本発明の実施の形態１０の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図である。図３２は図３１のＣ－Ｃ線に沿う矢視断面図である。図３３は本発明の実施の形態１１の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が中立位置に安定した様子を示す断面図である。図３４は本発明の実施の形態１１の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が第１安定位置に安定した様子を示す断面図である。図３５は本発明の実施の形態１２の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が中立位置に安定した様子を示す断面図である。図３６は本発明の実施の形態１２の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が第１安定位置に安定した様子を示す断面図である。図３７は本発明の実施の形態１３の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が中立位置に安定した様子を示す断面図である。図３８は本発明の実施の形態１３の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が第１安定位置に安定した様子を示す断面図である。図３９は本発明の実施の形態１４の３安定形揺動電磁アクチュエータの中立位置が鉛直下方となるように設置される様子を示す断面図である。図４０は本発明の実施の形態１５の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が中立位置にてソレノイド装置に保持される様子を示す断面図である。図４１は本発明の実施の形態１６の３安定形揺動電磁アクチュエータのコイルの接続方法を示す要部の回路図である。図４２は可動子に位置による誘導起電圧項について説明するための可動子が中立位置にある様子を示す断面図である。図４３は同じく可動子に位置による誘導起電圧項について説明するための可動子が中立位置と第１安定位置との間にある様子を示す断面図である。

符号の説明

　１，２，３，１１，１２，１３　可動子
　１ａ，３ａ，４ａ，１１ａ，１２ａ，１３ａ　本体部
　１ｂ，３ｂ，４ｂ，１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ　係合凸部
　２１ａ，２１ｂ，２２，２３，２４，３３　ストッパ（第２の磁極）
　２６，３０　磁性体
　２６ａ，３０ａ　大径部
　２６ｂ，３０ｂ　小径部
　２６ｃ，３０ｃ　放射状部
　２５，２７，４３　中心部材
　３０ｄ　放射状部の面積を大きくされた部分
　３５　ソレノイド装置
　３５ａ　プランジャ
　３５ｂ　駆動コイル
　４１　回転軸
　４５　固定子
　４５ａ　本体部
　４５ｂ　磁極（第１の磁極）
　４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃ，４７Ｄ，４７Ｅ，４７Ｆ　コイル
　４７Ｇ，４７Ｈ　コイル（第２のコイル）
　４９　第１の永久磁石
　５１，５３　第２の永久磁石
　５５　第３の永久磁石
　１０１～１１６　３安定形揺動電磁アクチュエータ

　以下に、本発明にかかる３安定形揺動電磁アクチュエータの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図であり、可動子が中立位置にある様子を示している。図２は可動子が第１安定位置にある様子を示す断面図である。図３は可動子が第２安定位置にある様子を示す断面図である。図１において、３安定形揺動電磁アクチュエータ１０１は、回転軸４１の周囲に設けられた中心部材４３と、中心部材４３から所定の間隔を空けて同心円状に設けられ、中心方向に向けて複数のティース部（第１の磁極）４５ｂが突設された固定子４５と、中心部材４３と固定子４５との間に形成された円筒状の空間内に配置され、円周方向に沿って延び、円周方向に往復回動可能に支持された可動子１と、第１の磁極４５ｂにそれぞれ巻き回され、可動子１を第１安定位置、第２安定位置、及び中立位置の３位置に停止するように付勢する複数のコイル４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃ，４７Ｄ，４７Ｅ，４７Ｆと、第１安定位置及び第２安定位置において、可動子１の回転方向端部に当接して可動子１を押し止める、磁性体で成る第２の磁極を構成するストッパ２１ａ，２１ｂとを有している。

　中心部材４３は、磁性体で作製され、概略短尺円筒状を成し、外周面の所定の位置に、第２の磁極の一方を構成する突部２１ａが形成されている。固定子４５は、磁性体で作製され、中心部材４３を囲むように配置され、概略短尺円筒状を成すヨーク部４５ａと、ヨーク部４５ａの内周側に中心方向に向けて複数突設されたティース部（第１の磁極）とからなり、中心部材４３に設けられた突部２１ａと対向する位置に第２の磁極の他方を構成する突部２１ｂが形成されている。

　固定子４５に円周に沿って等間隔に形成された複数の第１の磁極４５ｂには、左回転用のコイル４７Ａ，４７Ｂ、右回転用のコイル４７Ｃ，４７Ｄ、中立位置安定用のコイル４７Ｅ，４７Ｆが巻装されている。

　可動子１は、概略断面円弧状を成し、円周方向に沿って延び、図示しない支持部材により回転中心から回転可能に支持されて第１安定位置と第２安定位置との間を往復回動する。可動子１は、断面円弧状を成す本体部１ａと、本体部１ａの回転方向両端部に形成された係合凸部１ｂ、１ｂとから成る。係合凸部１ｂ、１ｂは、本体部１ａの端部の半径方向中心から、所定量だけコイル側（外径側）に偏心した位置に形成されている。係合凸部１ｂ、１ｂは、ストッパ（第２の磁極）２１ａ，２１ｂ間に形成される間隙に嵌る形状とされている。すなわち、ストッパ２１ａ，２１ｂ間に形成される間隙は、係合凸部１ｂ、１ｂと係合する係合凹部を構成している。可動子１は、第１安定位置及び第２安定位置に移動した際、係合凸部１ｂ、１ｂを、ストッパ２１ａ，２１ｂ間に形成される間隙に挿入するようにして端部をストッパ２１ａ，２１ｂに押し当て移動を規制される。

　動作を説明する。図１に示す中立位置から図２に示す第１安定位置まで駆動する場合は、コイル４７Ａ，４７Ｂに電流を供給すると、可動子１と固定子４５の間に磁束が形成される。そして、可動子１は、回転軸４１を回動中心として、反時計回りに駆動する。可動子１が図２に示す第１安定位置に達すると、コイル４７Ａ，４７Ｂへの通電を遮断する。　　　

　図２に示す第１安定位置から図１に示す中立位置まで駆動する場合は、コイル４７Ｅ，４７Ｆに電流を供給すると、可動子１と固定子４５の間に磁束が形成されて、可動子１は、回転軸４１を回動中心として、時計回りに駆動する。可動子１が図１に示す中立位置に達すると、コイル４７Ｅ，４７Ｆへの通電を遮断する。

　左右対称構造につき、他の動作は省略するが、上記のように電流を供給するコイルを切り換えることにより、可動子１は、図１に示す中立位置、図２に示す第１安定位置、及び図３に示す第２安定位置の間を往復運動することができる。

　図１に示す中立位置から図２に示す第１安定位置まで駆動する場合は、駆動初期はコイル４７Ｂで吸引し、駆動後期はコイル４７Ａで吸引する。他の動作の場合も同様であるが、このように電流供給するコイルを順次切り換えながら吸引することにより、移動距離が長い場合においても、強い電磁力を生成することが出来る。

　次に、３安定形揺動電磁アクチュエータ１０１に連結される図示しない開閉器の接点の負荷曲線を図４に示す。図１に示す中立位置から図２に示す第１安定位置まで駆動させる場合は、駆動初期に負荷が小さく、駆動後期に負荷が大きくなる。図２に示す第１安定位置から図１に示す中立位置まで駆動させる場合は、駆動初期に負荷が大きく、駆動後期に負荷が小さくなる。図３に示す第２安定位置まで駆動させる場合も同様である。

　本実施の形態の電磁アクチュエータ１０１においては、コイル４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃ，４７Ｄ，４７Ｅ，４７Ｆは、固定子４５の円周上に配置されている。そのため、コイルから生成される磁束は、可動子１を通過し径方向（図１の矢印Ｆ２）と接線方向（図１の矢印Ｆ１）に流れる。そして、可動子１の回転駆動力を得る際に、接線方向の力が必要となるため、可動子１を接線方向に通過する磁束は回転駆動力として寄与するが、可動子１を径方向に通過する磁束は回転駆動力に寄与しない。そこで、本実施の形態の電磁アクチュエータ１０１においては、第１安定位置と第２安定位置において、可動子１の回転方向端部に当接して可動子１を押し止める第２の磁極を構成するストッパ２１ａ，２１ｂを設けている。また、可動子１の回転方向両端部に係合凸部１ｂ、１ｂを設けている。

　図５は中立位置から第１安定位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。コイル４７Ｂの片側に発生する磁束は、可動子１の係合凸部１ｂの効果により、接線方向に多く作用する。図６は中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。第１安定位置に設けられたコイル４７Ａの片側に発生する磁束は、ストッパ（第２の磁極）２１ａ，２１ｂ及び係合凸部１ｂの効果により、接線方向に多く作用する。図７は第１安定位置から中立位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。コイル４７Ｅの片側に発生する磁束は、係合凸部１ｂの効果により、接線方向に多く作用する。図８は第１安定位置から中立位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。コイル４７Ｅおよびコイル４７Ｆに発生する磁束は、従来と同じように、接線方向に多く作用する。

　上述のように、可動子１を接線方向に通過する磁束は回転駆動力となり、径方向に通過する磁束は回転駆動力とならない。そこで、本実施の形態の電磁アクチュエータ１０１においては、第１安定位置と第２安定位置において、可動子１の回転方向端部に当接して可動子１を押し止める第２の磁極を構成するストッパ２１ａ，２１ｂを設けている。また、可動子１の回転方向両端部に係合凸部１ｂ、１ｂを設けている。これにより、図５乃至図８に示すように、駆動後期の磁束は、径方向には少なく流れ、接線方向に多く流れるようになり、磁束の多くの割合を回転駆動力に寄与することができ、高いトルクを得ることができる。このように、磁束を効率よくトルクに変換することにより、電磁アクチュエータ１０１のコンパクト化や省電力化が可能となる。

実施の形態２．
　図９は本発明の実施の形態２の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図であり、中立位置から第１安定位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図９において、本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１０２においては、可動子２は、端部に係合凸部を有してない。これに対応して、第２の磁極として動作する磁性体でなるストッパ２２は、中心部材４３から固定子４５に至るまで途切れることなく連続して形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

　図１０は中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１１は第１安定位置から中立位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１２は第１安定位置から中立位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図９において、中立位置から第１安定位置への駆動初期では、可動子２とコイル４７Ｂの磁極間の空隙が大きいため、コイル４７Ｂに発生する電磁力は小さい。
図１０において、中立位置から第１安定位置への駆動後期では、可動子２の回転方向の端面とストッパ（第２の磁極）２２が当接しているため、発生する電磁力が大きい。図１１及び図１２において、第１安定位置から中立位置への駆動においては、初期後期ともに実施の形態１と磁極の配置が同じである為、同等の電磁力となる。

実施の形態３．
　図１３は本発明の実施の形態３の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図であり、中立位置から第１安定位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１３において、本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１０３においては、可動子３は、断面円弧状を成す本体部３ａと、本体部３ａの回転方向両端部に形成された係合凸部３ｂ、３ｂとから成る。係合凸部３ｂ、３ｂは、本体部３ａの端部の最も内径側の位置に突設されている。これに対応して、第２の磁極として動作する磁性体でなるストッパ２３は、固定子４５から中心部材４３方向に立設する突部により形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

　図１４は中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１５は第１安定位置から中立位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１６は第１安定位置から中立位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１３において、中立位置から第１安定位置への駆動初期では、磁極として動作する係合凸部３ｂを突出させたことにより、実施の形態２に比べ可動子３を通過する磁束が多く、発生する電磁力が増大する。図１４において、中立位置から第１安定位置への駆動後期では、可動子３の係合凸部３ｂの端面は、磁極を構成するストッパ２３と当接しないため、実施の形態２に比べ、発生する電磁力が減少する。図１５及び図１６において、第１安定位置から中立位置への駆動においては、本体部３ａの端部の最も内径側の位置に形成された係合凸部３ｂ、３ｂは、ほとんど影響しないため、実施の形態２のものに比べ、発生する電磁力に大きな差異は無い。

実施の形態４．
　図１７は本発明の実施の形態４の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図であり、中立位置から第１安定位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１７において、本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１０４においては、可動子４は、断面円弧状を成す本体部４ａと、本体部４ａの回転方向両端部に形成された係合凸部４ｂ、４ｂとから成る。係合凸部４ｂ、４ｂは、本体部４ａの端部の最も外径側の位置に突設されている。これに対応して、第２の磁極として動作する磁性体でなるストッパ２４は、中心部材４３方向に立設する突部により形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

　図１８は中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１９は第１安定位置から中立位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図２０は第１安定位置から中立位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図１７において、中立位置から第１安定位置への駆動初期では、可動子１の磁極とコイル４７Ｂの磁極の間の空隙が短いために電磁力が増大する。図１８において、中立位置から第１安定位置への駆動後期では、係合凸部４ｂを突出させた可動子４の端面は、磁極として動作するストッパ２４と当接しないため、実施の形態２に比べ、電磁力が減少する。図１９において、第１安定位置から中立位置への駆動初期においては、駆動初期は、コイル４７Ｅの磁極と可動子４の磁極とが面と面で対向しているために、磁束の経路は径方向が主成分となるため、実施の形態２よりも総磁束量は多いが回転駆動力への寄与率が悪い。図２０において、第１安定位置から中立位置への駆動初期においては、実施の形態１のものに比べ、発生する電磁力に大きな差異は無い。

　上記表は、実施の形態１から４のアクチュエータ１０１から１０４において、中立位置から第１安定位置へ向かう動作と第１安定位置から中立位置へ戻る動作に関して、各々駆動初期と駆動後期について、電磁力（トルク）の大きさを表にしたものである。表において、二重丸は非常に強い、○は強い、△は弱い、×は非常に弱い大きさを示している。アクチュエータ１０２とアクチュエータ１０３は、中立位置から第１安定位置へ向かう動作において、駆動初期は電磁力（トルク）の大きさが小さく、駆動後期は電磁力（トルク）の大きさが大きく、図４に示した開閉器の接点の負荷曲線に相応することが解る。しかしながら、クチュエータ１０２とアクチュエータ１０３の第１安定位置へ向かう駆動初期の電磁力（トルク）の大きさは非常に小さい。停止している可動子が動き出すためには、可動子重量による慣性力と静止摩擦と接点の負荷に打ち勝つ電磁力（トルク）が必要となる。これに対して、クチュエータ１０２とアクチュエータ１０３の第１安定位置へ向かう駆動初期の電磁力（トルク）は小さく不適合である。

　一方、アクチュエータ１０４は、中立位置から第１安定位置へ向かう動作の駆動初期の電磁力は非常に強い。しかしながら、第１安定位置から中立位置へ戻る動作の駆動初期のトルクは小さい。つまり、クチュエータ１０２とアクチュエータ１０３は、第１安定位置から中立位置へ戻る動作の電磁力特性に優れ、アクチュエータ１０４は、中立位置から第１安定位置へ向かう動作の電磁力特性に優れている。このようなことから、アクチュエータ１０１は、両者を組み合わせた形状とされている。

実施の形態５．
　図２１は本発明の実施の形態５の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図である。図２２は中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１０５においては、実施の形態１のコイル４７Ａ，４７Ｃに替えて、コイル４７Ｇ，４７Ｈを巻装している。コイル４７Ｇ，４７Ｈは、それぞれ可動子１が第１安定位置及び第２安定位置にあるとき、可動子１を囲繞するような向きに巻装されている。ここで、コイル４７Ｂ，４７Ｄ，４７Ｅ，４７Ｆのような向きに巻装されたコイルを接線方向に巻かれたコイル（第１のコイル）、コイル４７Ｇ，４７Ｈのように巻装されたコイルを径方向に巻かれたコイル（第２のコイル）と呼ぶことにする。これに対応して、中心部材２５は、コイル４７Ｇ，４７Ｈをよけるために内径方向に凹部が形成されている。

　上記のように、本実施の形態のアクチュエータ１０５においては、第１安定位置及び第２安定位置に、それぞれ第１安定位置及び第２安定位置にある可動子１を囲繞するように配置された第２のコイル４７Ｇ，４７Ｈが設けられている。コイル４７Ｇにより生成される磁束は、図２２に示すように、全て可動子１を接線方向に通過する。第２安定位置に設けられたコイル４７Ｈも同様である。これにより、本実施の形態のアクチュエータ１０５においては、実施の形態１のものより効果的に大きな回転駆動力を得ることが出来る。

実施の形態６．
　図２３は本発明の実施の形態６の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図である。図２４は図２３のＡ－Ａ線に沿う矢視断面図である。図２４において、図の左側に磁束の発生する様子を示す。右側に固定子４５の積層構造を示す。固定子４５を積層構造にすることにより、渦電流を遮断することが出来る。

　図２３において、コイル４７Ａ，４７Ｄ，４７Ｅ，４７Ｆに起因する電磁力は、可動子１の回転方向に、コイルの手前から増加してゆき、コイルを過ぎると電磁力が弱まる。そこで、本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１０６においては、固定子４５の回転軸方向（回転軸４１の延びる方向）両面に磁性体２６が重ねて配設されている。磁性体２６は、固定子４５のヨーク部に重なる大径部２６ａと、回転軸４１を囲む小径部２６ｂと、小径部２６ｂから大径部２６ａへ架け渡されて形成された放射状部２６ｃとから構成されている。そして、この放射状部２６ｃがコイルとコイルの間の磁極に積層方向（回転軸方向と同じ）に重ねて配置されている。すなわち、コイル間の磁極の回転軸方向両端部に磁性体２６の放射状部２６ｃが配置されている。これにより、従来、可動子１の回転方向の端部の径方向の一辺にしか磁束が通過しなかったのに対して、積層方向にも磁束が通過するため、電磁力が低下する領域において、電磁力を増加させることができる。

実施の形態７．
　図２５は本発明の実施の形態７の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図であり、中立位置から第１安定位置への駆動初期に発生する磁束の様子を示す断面図である。図２５において、本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１０７においては、中心部材２７は、回転軸４１の周囲に配設された円筒状部２７ａと、円筒状部２７ａの外周面から放射状に突出する複数の突出部２７ｂとから構成されている。そして、それぞれの突出部２７ｂの頂部に各々可動子１と対向するように永久磁石４９が配設されている。つまり、可動子１の内径側に可動子１の移動方向に沿って可動子１と対向するように複数の永久磁石４９が配設されている。永久磁石４９は、可動子１の駆動力の補助をする。その他の構成は実施の形態５と同様である。

　上記実施の形態６でも述べたように、従来、可動子１の径方向の一辺を通過する磁束しか駆動に寄与していない。そこで、本実施の形態においては、可動子１の内側に永久磁石４９を配置することで、可動子１の内側の一辺にも磁束が通過する事で電磁力を増大させることができる。永久磁石４９の配置は、Ｎ極とＳ極が交互になるように配置する。

　図２６は中立位置から第１安定位置への駆動後期に発生する磁束の様子を示す断面図である。永久磁石４９から生成された磁束は、可動子１を通り第２の磁極を構成するストッパ２１ａを通過する。これにより、可動子１とストッパ２１ａとの間に電磁力が作用し、コイル電流遮断時において保持力を作用させることができる。

実施の形態８．
　図２７は本発明の実施の形態８の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図であり、中立位置において第２の永久磁石の発生する磁束の様子を示す断面図である。図２８は第１安定位置に安定する可動子の様子を示す断面図である。図２７において、本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１０８においては、中立位置における可動子１の円周方向両端部に、可動子１の中立位置の安定停止を補助する第２の永久磁石５１，５１が設けられている。第２の永久磁石５１，５１は、それぞれＮ極とＳ極となるように配置する。その他の構成は実施の形態５と同様である。

　本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１０８によれば、一方の永久磁石５１から生成される磁束は可動子１を通過して他方の永久磁石５１に供給される。このような磁気経路を作ることで、コイルへの通電を遮断していても、可動子１は永久磁石５１，５１の作用により中立位置に安定する。なお、コイル４７Ｅ，４７Ｆの通電方向は、永久磁石５１，５１と同じ方向となるようにする。

実施の形態９．
　図２９は本発明の実施の形態９の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図である。図３０は図２９のＢ－Ｂ線に沿う矢視断面図である。図２９において、本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１０９においては、中立位置における可動子１の円周方向両端部の磁性体２６に、可動子１の中立位置での安定停止を補助する第２の永久磁石５３，５３が埋設されている。第２の永久磁石５３，５３は、それぞれＮ極とＳ極となるように配置する。その他の構成は実施の形態６と同様である。

　本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１０９によれば、一方の永久磁石５３から生成される磁束は可動子１を通過して他方の永久磁石５３に供給される。このような磁気経路を作ることで、コイルへの通電を遮断していても、可動子１は永久磁石５３，５３の作用により中立位置に安定する。なお、コイル４７Ｅ，４７Ｆの通電方向は、永久磁石５３，５３と同じ方向となるようにする。

実施の形態１０．
　図３１は本発明の実施の形態１０の３安定形揺動電磁アクチュエータを示す断面図である。図３２は図３１のＣ－Ｃ線に沿う矢視断面図である。図３１において、本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１１０においては、実施の形態６のものと同じように、固定子４５の回転軸方向（回転軸４１の延びる方向）両面に磁性体３０が重ねて配設されており、この磁性体３０のストッパと重なる位置の放射状部３０ｃに第３の永久磁石５５が設けられている。

　磁性体３０は、固定子４５のヨーク部に重なる大径部３０ａと、回転軸４１を囲む小径部３０ｂと、小径部３０ｂから大径部３０ａへ架け渡されて形成された放射状部３０ｃとから構成されている。そして、複数の放射状部３０ｃのうち、ストッパと重なる位置の放射状部３０ｃに面積を大きくされた部分３０ｄが設けられており、この面積を大きくされた部分３０ｄに第３の永久磁石５５が埋設されている。すなわち、本実施の形態においては、ストッパの回転軸方向両端部に第３の永久磁石５５が設けられている。永久磁石５５から生成された磁束は、可動子１の当接面を通過する。これにより、可動子１とストッパ２１ａとの間に電磁力が作用し、可動子１は第１安定位置に安定して保持される。第２安定位置においても同様である。

実施の形態１１．
　図３３は本発明の実施の形態１１の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が中立位置に安定した様子を示す断面図である。図３４は本発明の実施の形態１１の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が第１安定位置に安定した様子を示す断面図である。本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１１１においては、可動子１１は、円周方向の長さを大きくされ、中立位置から第１安定位置及び第２安定位置に至る回動角度が、９０°となるようにされている。その他の構成は実施の形態５と同様である。

　図３３において、中立位置から第１安定位置への駆動初期の電磁力発生に寄与する磁極として動作する係合凸部１１ｂの端面と、コイル４７Ｂの励磁する磁極４５ｂの円周方向端面とが、半径方向に延びる所定の同一面上に位置するようにして一致している。また、図３４において、第１安定位置から中立位置への駆動初期の電磁力発生に寄与する磁極として動作する本体部１１ａと係合凸部１１ｂとの段部が、コイル４７Ｅの励磁する磁極４５ｂの円周方向端面に対して、半径方向に延びる所定の同一面上に位置するようにされている。なお、この磁極形成の思想は、すべての実施の形態において同じである。

実施の形態１２．
　図３５は本発明の実施の形態１２の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が中立位置に安定した様子を示す断面図である。図３６は本発明の実施の形態１２の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が第１安定位置に安定した様子を示す断面図である。本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１１２においては、可動子１２は、円周方向の長さを小さくされ、中立位置から第１安定位置及び第２安定位置に至る回動角度が、１２０°となるようにされている。その他の構成は実施の形態５と同様である。

　図３５において、中立位置から第１安定位置への駆動初期の電磁力発生に寄与する磁極として動作する係合凸部１２ｂの端面と、コイル４７Ｂの励磁する磁極４５ｂの円周方向端面とが、半径方向に延びる所定の同一面上に位置するようにして一致している。また、図３６において、第１安定位置から中立位置への駆動初期の電磁力発生に寄与する磁極として動作する係合凸部１２ｂの端面が、コイル４７Ｅの励磁する磁極４５ｂの円周方向端面に対して、半径方向に延びる所定の同一面上に位置するようにされている。

実施の形態１３．
　図３７は本発明の実施の形態１３の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が中立位置に安定した様子を示す断面図である。図３８は本発明の実施の形態１３の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が第１安定位置に安定した様子を示す断面図である。本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１１３においては、第２の磁極として動作する磁性体でなるストッパ３３の径方向厚さが大きくされることにより、可動子１３の中立位置から第１安定位置及び第２安定位置に至る回動角度が、９０°となるようにされている。その他の構成は実施の形態５と同様である。

　図３７において、中立位置から第１安定位置への駆動初期の電磁力発生に寄与する磁極として動作する係合凸部１３ｂの端面と、コイル４７Ｂの励磁する磁極４５ｂの円周方向端面とが、半径方向に延びる所定の同一面上に位置するようにして一致している。また、図３８において、第１安定位置から中立位置への駆動初期の電磁力発生に寄与する磁極として動作する本体部１３ａと係合凸部１３ｂとの外周側の段部が、コイル４７Ｅの励磁する磁極４５ｂの円周方向端面に対して、半径方向に延びる所定の同一面上に位置するようにされている。なお、この磁極形成の思想は、すべての実施の形態において同じである。

実施の形態１４．
　図３９は本発明の実施の形態１４の３安定形揺動電磁アクチュエータの中立位置が鉛直下方となるように設置される様子を示す断面図である。本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１１４においては、設置場所に設置される際、中立位置が鉛直下方となるように設置される。中立安定位置は、物理的に停止する構造を有してないため、可動子１の位置が中心からずれて停止すると、可動子の自重により、回転して中立位置で安定しない。そこで、中立位置を下に配置することにより、中立位置からずれた位置で停止しても、可動子１の自重で中立位置に安定する。よって、例えば、駆動中に事故がおきてコイルに通電できなくなり、駆動途中で可動子１が停止してしまった場合においても、自重で中立位置に安定することができる。

実施の形態１５．
　図４０は本発明の実施の形態１５の３安定形揺動電磁アクチュエータの可動子が中立位置にてソレノイド装置に保持される様子を示す断面図である。図４０において、本実施の形態の３安定形揺動電磁アクチュエータ１１５においては、半径方向に出没して先端が可動子１に設けられた凹部に係合するプランジャ３５ａを持つソレノイド装置３５をさらに有している。中立位置に設けられたソレノイド装置３５は、駆動コイル３５ｂへの電流供給の入り切りをしてプランジャ３５ａを出没させる。可動子１には凹部が設けられており、この凹部にプランジャ３５ａの先端が嵌る。

　本実施の形態においては、中立位置にてソレノイド装置３５を用いて可動子１を物理的に保持する。実施の形態８及び実施の形態９のように永久磁石を配置すれば、コイルに通電していない時でも中立位置に安定させることができる。しかし、地震などで外部から振動が加えられた場合は、中立位置から外れる可能性がある。そこで、本実施の形態においては、可動子１が中立位置で安定した時に、ソレノイド装置３５のプランジャ３５ａを可動子１に差し込むことで物理的に固定する。

実施の形態１６．
　図４１は本発明の実施の形態１６の３安定形揺動電磁アクチュエータのコイルの接続方法を示す要部の回路図である。隣り合うコイル４７Ｂとコイル４７Ｇについて説明する。コイル４７Ｂとコイル４７Ｇとを並列接続することにより、コイル一つあたりの抵抗を大きくできる。そのため、コイルの線径を細く出来るため、コイルの軽量化と低コスト化が可能となる。

　次に、電源にコンデンサを用いた場合の、電気回路方程式を示す。
　ｑ(ｔ)／Ｃ
　＝Ｉ(ｔ)＊Ｒ＋Ｌ(ｘ、Ｉ)＊ｄＩ(ｔ)／ｄｔ＋ｄφ(ｘ、Ｉ)＊ｄｘ(ｔ)／ｄｔ、
　ｄｑ(ｔ)／ｄｔ＝Ｉ(ｔ)

　ここで、ｑは電荷［Ｃ］、Ｃは静電容量［Ｆ］、Ｉは電流［Ａ］、Ｒは抵抗［Ω］、Ｌは自己インダクタンス［Ｈ］、ｘは可動子位置［ｍ］、φは磁束［Ｔ］である。この式は、オームの方式に右辺の第２項の自己インダクタンス項と第３項の誘導起電圧項が加わったものである。この式より、左辺のコンデンサ容量と右辺の抵抗は一定であるため、自己インダクタンス項と誘導起電圧項が大きくなれば、電流は小さくなるということがいえる。直列接続にすれば、自己インダクタンスはコイル２個分となるが、並列接続にすることにより、コイル１個分の自己インダクタンスとなるために、自己インダクタンス項が小さくなり、電流が大きくなる。

　さらに誘導起電圧項について説明する。図４２は可動子に位置による誘導起電圧項について説明するための可動子が中立位置にある様子を示す断面図である。図４３は同じく可動子が中立位置と第１安定位置との間にある様子を示す断面図である。誘導起電圧項は、磁束の量で決まるため、それぞれの位置の磁束量と電流値で評価をした。図４２の駆動初期は、コイル４７Ｂとコイル４７Ｇの磁束量は少ないため、コイル４７Ｂとコイル４７Ｇには同等量の電流値が流れる。次に、図４３の位置では、コイル４７Ｂの磁束量が大きく、コイル４７Ｇの磁束量は小さいため、コイル４７Ｇの方が電流の流れる割合が大きくなる。コイル４７Ｂは駆動初期の駆動力として用いるため、図４３の位置では駆動力に寄与しておらず、コイル４７Ｇが可動子１を駆動させている。そのため、図４３の位置では、コイル４７Ｂには電流が流れず、コイル４７Ｇに電流が多く流れた方が、効率が良い。そのため、コイルを並列接続することにより、誘導起電圧項が寄与するために、駆動後期にはコイル４７Ｂに電流が流れにくくなり、コイル４７Ｇに多くの電流が流れるという、電流の制御が可能となる。

　以上のように、本発明にかかる３安定形揺動電磁アクチュエータは、開閉器や断路器に連結される電磁アクチュエータに適用されて有用なものであり、特に２つの固定接点と１つの可動接点から構成される開閉器や断路器の「入り」、「切り」、「入り」の動作と連動して、可動子が３箇所で停止する電磁アクチュエータに適用されて最適なものである。

Claims

　円筒状を成し中心方向に向けて複数の第１の磁極が突設された固定子と、
　前記固定子の内側で、円周方向に沿って延び、該円周に沿って往復回動可能に支持された可動子と、
　前記第１の磁極に巻き回され、前記可動子の回動範囲の一端側である第１安定位置と、他端側である第２安定位置と、中間位置である中立位置の３位置に停止するように付勢する複数のコイルを備え、
　前記第１安定位置及び前記第２安定位置において、前記可動子の回転方向端部に当接して当該可動子を押し止める磁性体で成る第２の磁極が設けられている
　ことを特徴とする３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記可動子の回転方向端部に、係合凸部が形成され、
　前記第２の磁極に、前記係合凸部と係合する係合凹部が形成されている
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記係合凸部は、前記可動子の端部の半径方向中心から、前記コイル側に偏心した位置に形成されている
　ことを特徴とする請求項２に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記第１安定位置及び前記第２安定位置に、前記第１安定位置及び前記第２安定位置にある前記可動子を囲繞するように配置された第２のコイルが設けられている
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記コイル間の前記磁極の回転軸方向両端部に磁性体が配設されている
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記可動子の移動方向に沿って該可動子と対向するように配設され、当該可動子の駆動力の補助をする永久磁石が設けられている
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記中立位置における前記可動子の円周方向両端部に、当該可動子の前記中立位置の安定を補助する第２の永久磁石が設けられている
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記中立位置における前記可動子の円周方向両端の回転軸方向両端部に、当該可動子の前記中立位置の安定を補助する第２の永久磁石が設けられている
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記ストッパの回転軸方向両端部に第３の永久磁石が設けられている
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記可動子の円周方向端面位置が、前記コイルの励磁する磁極の円周方向端面位置と一致している
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記中立位置に対する前記第１安定位置及び前記第２安定位置への回転角がそれぞれ９０°となるように前記可動子の円周方向長さが選定されている
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記中立位置に対する前記第１安定位置及び前記第２安定位置への回転角がそれぞれ１２０°となるように前記可動子の円周方向長さが選定されている
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　設置場所に設置される際、前記中立位置が鉛直下方となるように設置される
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　半径方向に出没して先端が前記可動子に設けられた凹部に係合するプランジャを有するソレノイド装置をさらに有する
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。
　前記第１のコイルと前記第２のコイルとが並列接続されている
　ことを特徴とする請求項１に記載の３安定形揺動電磁アクチュエータ。