WO2016092955A1

WO2016092955A1 - 遮断器及び操作器並びに開閉装置

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Publication number: WO2016092955A1
Application number: PCT/JP2015/079568
Authority: WO
Inventors: 中　康弘; 土屋　賢治
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2016-06-16
Also published as: TW201637055A; JP2016110920A

Abstract

　大きな寸法公差を設定しても、可動導体又はシャフトの滑らかな往復運動が長期間にわたり維持され、かつ、電極部での接触不良が生じ難い遮断器を提供する。本発明の遮断器は、上記課題を解決するために、容器と、該容器に固定導体を介して固定され、該容器内に設置されている固定電極と、該固定電極と対向配置され、該固定電極と接離することで電流の投入又は遮断を行い、かつ、可動導体の先端部に固定されている可動電極と、該可動電極が固定されている前記可動導体を摺動可能に支持し、前記容器に固定されている軸受とを備え、前記軸受は、中央部に前記可動導体が挿通されて該可動導体を支持する穴を有し、その穴の両端径は中央部よりも広く、その穴の軸方向に平行な断面は、両端部付近で直線傾斜形状をなしていることを特徴とする

Description

遮断器及び操作器並びに開閉装置

　本発明は遮断器及び操作器並びに開閉装置に係り、特に、安定した開閉操作を行うために可動導体やシャフトを支持する軸受の構造を改良した遮断器及び操作器並びに開閉装置に関する。

　電気回路の遮断、投入操作を行う開閉装置には、その用途に応じて様々な機種が存在するが、例えば、特許文献１や特許文献２で示される真空遮断器は、比較的高電圧で用いられる開閉装置である。

　開閉装置の１つである真空遮断器は、特許文献１及び２でも説明されているように、真空が保たれた容器内で電気回路の開閉を行う真空バルブ（遮断器）と、開閉操作力を与える電磁操作器とで主に構成されている。

　従来の真空遮断器の構成を、図１を用いて説明する。

　該図に示す如く、真空遮断器５０は、真空バルブ（遮断器）５１と電磁操作器５２及び両者を連結するリンク機構５３とから概略構成されている。

　そして、真空バルブ（遮断器）５１は、真空容器３と、この真空容器３に固定導体４３を介して固定され、真空容器３内に設置されている固定電極１と、固定電極１と対向配置され、この固定電極１と接離することで電流の投入又は遮断を行い、かつ、可動導体４の先端部に固定されている可動電極２と、この可動電極２が固定されている可動導体４を摺動可能に支持し、真空容器３の底部に固定され内部に固体潤滑が施されたドライブッシュから成る筒状の遮断器軸受６と、真空容器３に一端が固定され、他端が可動導体４に取付けられて該可動導体４の移動に追従し、真空容器３内の真空を保つベローズ５とから構成されている。

　一方、電磁操作器５２は、相対向して配置された可動鉄心１８と固定鉄心２７、電磁力に応じて可動鉄心１８と固定鉄心２７を離間又は接触させるコイル１７、このコイル１７から発生する磁界の経路を形成すると共に、可動鉄心１８と固定鉄心２７との接触状態を保持するための電磁力を発生する永久磁石１９、及びコイル１７の周囲を覆うと共に、コイル１７から発生する磁束の経路を形成する鉄製カバー４４、７を有し、可動鉄心１８に連結されて電磁石から発生した電磁力に伴う駆動力を伝達するシャフト８と、このシャフト８を上部の電磁操作器５２を構成するプレート２８で支持する内面に固体潤滑が施されたドライブッシュから成る筒状の操作器軸受２２と、固定鉄心２７で電磁操作器５２の下部で支持する内面に固体潤滑が施されたドライブッシュから成る筒状の操作器軸受２１とから構成され、しかも、シャフト８は、上部より下部の方が径が太く、シャフト８の上部を支持する操作器軸受２２の内径より、シャフト８の下部の支持する操作器軸受２１の内径が大きく形成されている。また、シャフト８には、トリップばね２０が取付けられており、閉極動作でトリップばね２０に反発力が貯えられ、トリップばね２０の反発力は、開極動作時に使用される。

　そして、真空バルブ（遮断器）５１の可動導体４は、リンクピン１３を介して第１の連結シャフト１０と連結され、一方、電磁操作器５２のシャフト８は、リンクピン１２を介して第２の連結シャフト９と連結され、この第１の連結シャフト１０と第２の連結シャフト９が、リンク機構５３を構成する支持シャフト１４で回動自在に支持されているレバー１１と支持シャフト１５及び１６で連結され、電磁操作器５２で発生する駆動力をリンク機構５３を介して真空バルブ（遮断器）５１に伝達し、真空バルブ（遮断器）５１の固定電極１と可動電極２を接離して電流の投入又は遮断を行うものである。

特開２００７－１７９８４１号公報特開２００４－２４７０９３号公報

　ところで、上述した可動導体４又はシャフト８は、１～５ｍ／秒程度の高速で往復運動をするため、その往復運動を滑らかに行わせるためには、可動導体４又はシャフト８の外径と遮断器軸受６及び操作器軸受２１、２２の内径の寸法差、及び遮断器軸受６及び操作器軸受２１、２２の設置位置を高精度に管理する必要がある。

　特に、遮断器軸受６は、可動導体４の外径と軸受内径差が大き過ぎて、摺動部で片当たりが生じることがないように注意する必要がある。また、それと同時に、その寸法差が小さ過ぎて可動導体４の回転自由度が小さくなることにより、固定電極１と可動電極２の間で片当たりが生じ、接触不良が発生することがないようにも留意する必要がある。

　即ち、図２に示すように、可動導体４の可動角度を±θとしたい場合、可動導体４の外径と遮断器軸受６の内径の差（ｄ）と遮断器軸受６の軸方向長さ（Ｌ）の比ｄ／Ｌをtanθとすれば良い。しかし、可動導体４の可動角度θを大きくするためにｄを大きくし過ぎると可動導体４の遮断器軸受６の片当たりによる摩耗量が大きくなるため、可動導体４の可動角度θは、軸受寿命が要求を満たす範囲内でしか大きくすることができなかった。

　更に、電磁操作器５２で用いられる２組の操作器軸受２１、２２も、それぞれの軸受内径とシャフト８の外径との寸法差を管理し、かつ、２組の操作器軸受２１、２２の中心軸が高精度に一致するように管理し、摺動部での片当たりが発生しないようにする必要がある。

　本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、大きな寸法公差を設定しても、可動導体又はシャフトの滑らかな往復運動が長期間にわたり維持され、かつ、電極部での接触不良が生じ難い遮断器及び操作器並びに開閉装置を提供することにある。

　本発明の遮断器は、上記目的を達成するために、容器と、該容器に固定導体を介して固定され、該容器内に設置されている固定電極と、該固定電極と対向配置され、該固定電極と接離することで電流の投入又は遮断を行い、かつ、可動導体の先端部に固定されている可動電極と、該可動電極が固定されている前記可動導体を摺動可能に支持し、前記容器に固定されている軸受とを備え、前記軸受は、中央部に前記可動導体が挿通されて該可動導体を支持する穴を有し、その穴の両端径が中央部よりも広いことを特徴とする。

　本発明によれば、可動導体又はシャフトの寸法や軸受の設置位置に関して従来よりも大きな誤差を許容しても、可動導体又はシャフトの滑らかな往復運動が長期間にわたり維持され、かつ、電極部での接触不良が生じ難い効果がある。

従来の開閉装置である真空遮断器の構成を示す断面図である。従来の軸受構造における可動導体の可動角度（θ）及び可動導体の外径と遮断器軸受の内径の差（ｄ）と遮断器軸受６の軸方向長さ（Ｌ）との関係を説明するための軸受近傍の断面図である。開閉装置の実施例１である真空遮断器を示す断面図である。開閉装置の実施例１である真空遮断器に採用される軸受における可動導体の可動角度（θ）及び可動導体の外径と遮断器軸受の内径の差（ｄ、ｄ₁、ｄ₂）と遮断器軸受の軸方向長さ（Ｌ、Ｌ₁、Ｌ₂）との関係を説明するための軸受近傍の断面図である。軸受のうち内面角部が曲面状を成す場合の軸受近傍の断面図である。開閉装置の実施例２である真空遮断器を示す断面図である。開閉装置の実施例２の操作器におけるシャフトと軸受の断面図である。開閉装置の実施例３である真空遮断器に採用されるハウジング付き軸受の断面図である。

　以下、図示した実施例に基づいて本発明の遮断器及び操作器並びに開閉装置を説明する。なお、符号は、従来と同一のものは同符号を使用すると共に、各実施例において同一構成部品には同符号を使用する。

　図３に、本発明の開閉装置の実施例１である真空遮断器５０を示す。該図に示す如く、本実施例の真空遮断器５０は、真空バルブ（遮断器）５１と電磁操作器５２及び両者を連結するリンク機構５３とから概略構成されている。

　そして、真空バルブ（遮断器）５１は、真空容器３と、この真空容器３に固定導体４３を介して固定され、真空容器３内に設置されている固定電極１と、固定電極１と対向配置され、この固定電極１と接離することで電流の投入又は遮断を行い、かつ、可動導体４の先端部に固定されている可動電極２と、この可動電極２が固定されている可動導体４を摺動可能に支持し、中央部に可動導体４が挿通する穴を有し、前記穴の両端径は中央部径よりも広く、前記穴の軸方向に平行な断面が両端部付近で直線状をなしている軸受４５と、真空容器３に一端が固定され、他端が可動導体４に取付けられて該可動導体４の移動に追従し、真空容器３内の真空を保つベローズ５とから構成されている。

　一方、電磁操作器５２は、相対向して配置された可動鉄心１８と固定鉄心２７、電磁力に応じて可動鉄心１８と固定鉄心２７を離間又は接触させるコイル１７、このコイル１７から発生する磁界の経路を形成すると共に、可動鉄心１８と固定鉄心２７との接触状態を保持するための電磁力を発生する永久磁石１９、及びコイル１７の周囲を覆うと共に、コイル１７から発生する磁束の経路を形成する鉄製カバー４４、７を有し、可動鉄心１８に連結されて電磁石から発生した電磁力に伴う駆動力を伝達するシャフト８と、このシャフト８を電磁操作器５２の上部と下部で支持する２つの第１の操作器側軸受２１及び第２の操作器側軸受２２とから構成されている。

　しかも、シャフト８は、上部より下部の方が径が太く、シャフト８の上部を支持する第２の操作器側軸受２２の内径より、シャフト８の下部の支持する第１の操作器側軸受２１の内径が大きく形成されている。

　また、シャフト８には、トリップばね２０が取付けられており、閉極動作でトリップばね２０に反発力が貯えられ、トリップばね２０の反発力は、開極動作時に使用される。

　次に、上述した真空遮断器５０における動作について説明する。

　先ず、固定電極１と可動電極２の開閉動作は、電磁操作器５２によりシャフト８を動作させ、シャフト８と可動電極２の可動導体４は、連結シャフト９、１０やレバー１１とリンクピン１２、１３、支持シャフト１４～１６で連結され、連携して動作することで行われる。

　即ち、閉極動作は、電磁操作器５２内のコイル１７を励磁することにより、シャフト８に取り付けられた可動鉄心１８を引き付けることにより行われ、閉極状態の保持は、永久磁石１９の磁力により行う。この閉極動作で、シャフト８に取り付けられたトリップばね２０には反発力が貯えられ、前述した電磁力や永久磁石１９の磁力は、このトリップばね２０の反発力に抗する力でなければならない。

　トリップばね２０の反発力は、開極動作時に利用される。つまり、コイル１７に閉極時とは逆方向の磁界を励磁することにより、永久磁石１９の磁力をキャンセルし、トリップばね２０の反発力でシャフト８を動作させ、固定電極１と可動電極２は開極される。

　本実施例では、可動電極２の可動導体４を支持する軸受として、可動電極２が固定されている可動導体４を摺動可能に支持し、中央部に可動導体４が挿通する穴を有し、前記穴の両端径は中央部径よりも広く、前記穴の軸方向に平行な断面が両端部付近で直線状をなしている軸受４５を用いることにより、可動導体４との間に寸法公差によるわずかな隙間が存在した場合に、可動導体４は、可動導体４の表面と軸受４５の両端部付近の内面との摺動部で面接触が維持されながら摺動し、かつ、固定電極１と可動電極２が接触した際には、ある自由度を持って傾きを生じることができる。

　遮断器側軸受４５の動作概念図を図４に示す。可動導体４の可動角度±θは、軸受の長さＬと、軸受両端部での可動導体４の外径と軸受４５との内径差ｄ₁、ｄ₂との関係において、式（１）で表される。

かつ、軸受両端部の斜面の角度θ₁、θ₂は、その斜面部の長さＬ₁、Ｌ₂や、可動導体４の外径と軸受４５中央部との内径差ｄとの関係において、式（２）、（３）で表される。

従って、可動導体４が軸受内面と面で接触するためには、式（１）と（２）、（３）を等値することにより、式（４）、（５）が成り立たなければならない。

式（４）、（５）が成り立つ軸受４５を採用することにより、従来以上に可動導体４の可動角度θを大きく設定したとしても、軸受４５の寿命が損なわれることはなく、従来以上に長寿命となる。即ち、軸受４５の寿命と固定電極１と可動電極２での接触不良防止を、従来以上の自由度を持って両立して実現させることができる。

　なお、式（４）、（５）は厳密に成り立つ必要はなく、ある程度の誤差が許容される。従来軸受と可動導体との設計公差から見積もられる可動導体の可動角度θ'が、本発明での可動導体４の角度θと軸受内面のθ₁、θ₂との許容差と考えれば、式（６）、（７）で示される誤差の範囲内であれば、少なくとも従来以上の寿命が得られると考える。

可動導体４が軸受内面と接触する点は、軸受両端の角部であるよりも、中央部側の角部である場合の方が、使用に伴う磨耗による接触面の増加がより短期間に起こることが期待でき望ましい。即ち、式（８）、（９）で表される大小関係となっていることがより望ましい。

　また、図３や図４に示した軸受断面では、軸受内面に角部が存在するが、この角部は図５のように適度な曲面状としても良い。この場合、ｄ₁、ｄ₂やＬ₁、Ｌ₂は、図５のように、直線部を延長した交点との間の距離として定義される。

　図６に、開閉装置の実施例２である真空遮断器５０を示す。該図に示す本実施例は、操作器５２側に、軸方向に平行な断面において、内面側に直線状の傾斜面を有する第１の軸受４６と、第２の軸受４７の２個を使用した場合の例である。図７に、この２個の軸受とシャフト８のみを取り出して断面を模式的に示したように、２個の軸受同士で対向する面と反対側の端部の径が広がり、直線状の傾斜面を成す。

　第１の実施例の場合と同様な考え方により、式（１０）、（１１）が成り立つ。

また、式（１２）、（１３）で示される誤差が許容される。

さらに、式（１４）、（１５）で表される大小関係となっていることが望ましい。

　図１に示した従来構造では、電磁操作器５２の操作器軸受２１、２２の内径とシャフト８の外径の寸法差には厳しい公差が適用されていたが、本実施例のように、第１の軸受４６と第２の軸受４７を採用することにより、従来よりも大きな寸法公差を設定しても、シャフト８の表面と第１の軸受４６と第２の軸受４７の内面との摺動部の面接触が維持されるため、シャフト８の滑らかな往復運動を従来以上に長期間にわたり維持することができる。

　シャフト８に可動鉄心１８を取り付ける上で、シャフト８は、図３のように、可動鉄心１８の取り付け位置の前後で径を変化させ段差を設けることにより製作が容易となるため、これに合わせて２個の第１の軸受４６と第２の軸受４７もそれぞれ大きさの異なるものとしている。トリップばね２０に近い第１の軸受４６の方が、開極時により強い衝撃を受けるため、シャフト８の径と軸受サイズをもう一方の第２の軸受４７側よりも大きくする方が有利である。

　このような本実施例の構成とすることにより、可動導体又はシャフトの寸法や軸受の設置位置に関して従来よりも大きな誤差を許容しても、可動導体又はシャフトの滑らかな往復運動が長期間にわたり維持され、かつ、電極部での接触不良が生じ難い効果がある。

　図８に、開閉装置の実施例３に関わる、真空バルブ側または操作器側で使用する軸受の断面模式図を示す。該図に示す軸受は、摺動を受け持つ部品４８と、これを支持するためのハウジング４９で構成される。摺動部品４８はハウジング４９内で穴周りを自由に回転することができる。これにより、シャフトと常に同一面で摺動することを防止する効果が期待され、軸受寿命がより長寿命となる効果が期待できる。軸受長さＬや、傾斜部の長さＬ₁、Ｌ₂の寸法関係は、実施例１または実施例２で述べた考え方に準じ、シャフトとの内外径差ｄ、ｄ₁、ｄ₂等との間において、同様な関係が成り立つ。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　１…固定電極、２…可動電極、３…真空容器、４…可動導体、５…ベローズ、６…遮断器軸受、７…鉄製カバー、８…シャフト、９…第２の連結シャフト、１０…第１の連結シャフト、１１…レバー、１２、１３…リンクピン、１４、１５、１６…支持シャフト、１７…コイル、１８…可動鉄心、１９…永久磁石、２０…トリップばね、２１、２２…操作器軸受、２７…固定鉄心、２８…プレート、４３…固定導体、４４…鉄製カバー、４５…傾斜面付き遮断器軸受、４６、４７…傾斜面付き操作器軸受、４８…ハウジング付き傾斜面付き軸受、４９…ハウジング、５０…真空遮断器、５１…真空バルブ（遮断器）、５２…電磁操作器、５３…リンク機構。

Claims

　容器と、
　該容器に固定導体を介して固定され、該容器内に設置されている固定電極と、
　該固定電極と対向配置され、該固定電極と接離することで電流の投入又は遮断を行い、かつ、可動導体の先端部に固定されている可動電極と、
　該可動電極が固定されている前記可動導体を摺動可能に支持し、前記容器に固定されている軸受とを備え、
　前記軸受は、中央部に前記可動導体が挿通されて該可動導体を支持する穴を有し、その穴の両端径が中央部よりも広いことを特徴とする遮断器。
　請求項１に記載の遮断器において、
　前記容器は真空容器であり、該真空容器に一端が固定され、他端が前記可動導体に取付けられて前記可動導体の移動に追従し、前記真空容器内の真空を保つベローズを備えていることを特徴とする遮断器。
　請求項１又は２に記載の遮断器において、
　前記軸受の可動導体を支持する穴の軸方向に平行な断面は、両端部で直線傾斜形状を成していることを特徴とする遮断器。
　請求項３に記載の遮断器において、
　前記軸受長さをＬ、上下の傾斜部長さをそれぞれＬ₁、Ｌ₂とし、前記軸受中央部と前記可動導体との内外径差をｄとし、前記軸受上下端部と前記可動導体との内外径差をそれぞれｄ₁、ｄ₂としたとき、それらの間の関係が次式で表されることを特徴とする遮断器。
　請求項３に記載の遮断器において、
　前記軸受長さをＬ、上下の傾斜部長さをそれぞれＬ₁、Ｌ₂とし、前記軸受中央部と前記可動導体との内外径差をｄとし、前記軸受上下端部と前記可動導体との内外径差をそれぞれｄ₁、ｄ₂としたとき、それらの間の関係が次式で表されることを特徴とする遮断器。
　相対向して配置された可動鉄心と固定鉄心、
　電磁力に応じて前記可動鉄心と固定鉄心を離間又は接触させるコイル、
　該コイルから発生する磁界の経路を形成すると共に、前記可動鉄心と固定鉄心との接触状態を保持するための電磁力を発生する永久磁石、
　及び前記コイルの周囲を覆うと共に、前記コイルから発生する磁束の経路を形成する鉄製カバーを有する電磁石と、
　前記可動鉄心に連結されて前記電磁石から発生した電磁力に伴う駆動力を伝達するシャフトと、
　該シャフトを装置の上下部で支持する２つの軸受とを備え、
　前記２つの軸受の夫々は、中央部に前記シャフトが挿通されて該シャフトを支持する穴を有し、その穴の少なくとも前記操作器外側の端部径はもう一端の径よりも広いことを特徴とする操作器。
　請求項６に記載の操作器において、
　前記シャフトは、上部より下部の方が径が太く、これらを支持する前記２つの軸受は、その内径が上部の軸受より下部の軸受が大きいことを特徴とする操作器。
　請求項６または７に記載の操作器において、
　前記２つの軸受の夫々は、前記シャフトを支持する穴の前記操作器外側端部で、穴の軸方向に平行な断面が直線傾斜形状を成していることを特徴とする操作器。
　請求項８に記載の操作器において、
　前記２つの軸受の前記操作器外側の両端部間の距離をＬ、上下それぞれの傾斜部長さをＬ₁、Ｌ₂とし、前記２つの上下それぞれの軸受中央部と前記可動導体との内外径差をｄ、ｄ’とし、前記２つの軸受の前記操作器外側の上下端部と前記可動導体との内外径差をｄ₁、ｄ₂としたとき、それらの間の関係が次式で表されることを特徴とする操作器。
　請求項８に記載の操作器において、
　前記２つの軸受の前記操作器外側の両端部間の距離をＬ、上下それぞれの傾斜部長さをＬ₁、Ｌ₂とし、前記２つの上下それぞれの軸受中央部と前記可動導体との内外径差をｄ、ｄ’とし、前記２つの軸受の前記操作器外側の上下端部と前記可動導体との内外径差をｄ₁、ｄ₂としたとき、それらの間の関係が次式で表されることを特徴とする操作器。
　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の遮断器において、
　前記軸受は、摺動を受け持つ摺動部品と、前記摺動部品の外面と略同一曲面形状を成し、前記摺動部品を支持するハウジングとで構成され、前記摺動部品はその前記ハウジング内で穴周りに自由に回転することができ、前記ハウジングを介して前記容器に固定されていることを特徴とする遮断器。
　請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の操作器において、
　前記軸受は、摺動を受け持つ摺動部品と、前記摺動部品の外面と略同一曲面形状を成し、前記摺動部品を支持するハウジングとで構成され、前記摺動部品はその前記ハウジング内で穴周りに自由に回転することができ、前記ハウジングを介して前記鉄製カバーに固定されていることを特徴とする操作器。
　請求項１乃至５、１１のいずれか１項に記載の遮断器と、請求項６乃至１０、１２のいずれか１項に記載の操作器と、前記遮断器と前記操作器を連結するリンク機構とを備え、
　前記操作器の駆動力を前記リンク機構を介して前記遮断器に伝達し、該遮断器の前記固定電極と可動電極を接離して電流の投入又は遮断を行うことを特徴とする開閉装置。