WO2022044283A1 - 開閉器ユニット - Google Patents

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WO2022044283A1
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electromagnet
switch
driving
coil
switch unit
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幸三 田村
慎一 芝山
将人 小林
寛之 白井
裕己 田井
至仁 尾崎
Original Assignee
株式会社日立産機システム
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/28—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H33/38—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using electromagnet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/666—Operating arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a switch unit.
  • Patent Document 1 is a conventional technique relating to a switch unit.
  • Patent Document 1 describes a switch that connects and separates a fixed electrode and a movable electrode, a first bushing conductor that is electrically connected to the fixed electrode, and a second bushing that is electrically connected to the movable electrode.
  • a switch unit comprising a conductor, an operating mechanism for supplying a driving force to the switch, and an insulating case covering the switch, the first bushing conductor, and the second bushing conductor.
  • a switch unit characterized in that the movable direction of the movable electrode and the operation mechanism are arranged substantially linearly is described.
  • the electromagnet of the electromagnetic controller that drives the switch is required to have a role of driving from the open position to the closing position and a function of maintaining the closing state, but an electromagnet optimally designed for each role is desirable.
  • the electromagnetic manipulator is required to be inexpensive, compact, and lightweight.
  • Patent Document 1 does not consider the realization of an inexpensive, compact, and lightweight electromagnetic operator for the operation mechanism that supplies the driving force to the switch.
  • An object of the present invention is to provide a switch unit equipped with an inexpensive, compact, and lightweight electromagnetic manipulator.
  • a switch having a fixed electrode and a movable electrode, and an electromagnetic manipulator that generates a driving force in the switch.
  • the electromagnetic actuator is It is a switch unit having an electromagnet for driving the switch and holding the switch.
  • a switch unit equipped with an inexpensive, compact, and lightweight electromagnetic actuator can be realized.
  • FIG. 1 The plan view of the switch unit of Example 1.
  • FIG. 1 The figure which shows the electromagnetic manipulator in the state where a switch is turned on.
  • the figure which shows the electromagnetic manipulator when the electromagnet for driving and the electromagnet for holding a closing are arranged coaxially in Example 1.
  • FIG. The figure which shows the electromagnetic manipulator when the electromagnet for driving and the electromagnet for holding a closing are arranged concentrically in the first embodiment.
  • FIG. The figure which shows the electromagnetic manipulator when the electromagnet for driving and the electromagnet for holding a closing are arranged coaxially in Example 2.
  • FIG. 2 The figure which shows the electromagnetic manipulator in the state where a switch is turned on.
  • the figure which shows the electromagnetic manipulator when the electromagnet for driving and the electromagnet for holding a closing are arranged concentrically in the second embodiment.
  • An enlarged view of the vicinity of the insertion position in FIG. The figure which shows the electromagnetic manipulator when the permanent magnet is not used in Example 3.
  • FIG. The figure which shows the electromagnetic manipulator when the permanent magnet is used in Example 3.
  • FIG. The figure which shows the control circuit of the electromagnet for driving / holding in Example 3.
  • FIG. The figure which shows the electromagnetic manipulator in a general closed state and an open state.
  • FIG. 1 is a plan view of the switch unit 100 of the first embodiment.
  • the switch unit 100 acts as a vacuum interrupter that acts as a switch having a fixed electrode 1 and a movable electrode 2, and an operating mechanism that generates a driving force required to turn on or open the switch. It is configured by arranging the electromagnetic actuators 7 to be operated in a straight line. In the first embodiment, an electromagnetic actuator 7 that does not use a permanent magnet is shown.
  • the electromagnetic actuator 7 is configured by combining, for example, a spring with an electromagnet and switching the energization of the coil constituting the electromagnet to ON or OFF to generate a driving force, which is covered with a mechanism case. Is. Details will be described later.
  • the switch is a part of the outer container of the vacuum interrupter that supports the fixed electrode 1, the movable electrode 2 that contacts or separates from the fixed electrode 1, the arc shield 3 that covers the periphery of both electrodes, and the arc shield 3. It is composed of a cylindrical ceramic insulating cylinder 4 and a bellows 5 and the like. The inside of the vacuum interrupter is maintained in a vacuum state by covering it with a ceramic insulating cylinder 4 or the like. The arc shield 3 is fixed by the ceramic insulating cylinder 4.
  • the bellows 5 allows the movable electrode 2 to move while maintaining the vacuum state of the vacuum interrupter.
  • the movable electrode 2 receives the driving force for contacting or disconnecting from the fixed electrode 1 by the aerial insulation operating rod 6 driven by the electromagnetic actuator 7.
  • FIG. 2 is a diagram showing an electromagnetic actuator in a switch-on state (on state).
  • the electromagnets 11 and 12 are excited by passing an electric current through the electromagnets 11 and 12.
  • the plunger 13 as a movable iron core is attracted to the electromagnets 11 and 12, and the cutoff spring 8 is pressed from the right lateral direction of FIG.
  • the movable electrode 2 receives a driving force pressed in the left lateral direction from the aerial operation rod (omitted in FIG. 2), and the fixed electrode 1 and the movable electrode 2 come into contact with each other to bring the switch into the turned-on state.
  • FIG. 3 is a diagram showing an electromagnetic actuator in an open state (off state) of the switch.
  • the open state no current flows through the electromagnets 11 and 12, and the plunger 13 moves in the right lateral direction in FIG. 3 due to the load force from the breaking spring 8, and the fixed electrode 1 and the movable electrode 2 are separated.
  • the switch is open.
  • FIG. 4 is a diagram showing an electromagnetic actuator in the case where the driving electromagnet (driving coil) 11 and the charging holding electromagnet (feeding holding coil) 12 are coaxially arranged in the first embodiment.
  • the driving electromagnet (driving coil) 11 is arranged on the shutoff spring 8 side, and the charging holding electromagnet (feeding holding coil) 12 is arranged on the flange portion side of the plunger 13.
  • the driving electromagnet 11 is an electromagnet (coil) for moving the movable electrode of the switch from the open position to the closing position.
  • the electromagnet for holding the switch is an electromagnet (coil) that maintains the turned state of the switch.
  • the larger the current or the larger the number of coil turns the more advantageous it becomes. Therefore, if the suction force is increased, the drive coil 11 becomes larger.
  • it is desired to increase the coil alignment or reduce the number of turns so reducing the resistance of the coil and increasing the number of turns of the coil are contradictory.
  • it is necessary to increase the drive voltage there is a demerit that the demand for insulation design increases.
  • the charging holding electromagnet (feeding holding coil) 12 excites the coil in a state where there is no plunger gap (the magnetic resistance is small because the iron core is inserted in the coil) and attracts the plunger, so that the required energy is required. Few. It requires less energy (ampere-turn) than the driving electromagnet (coil).
  • the driving electromagnet 11 and the charging holding electromagnet 12 are arranged in the movable direction of the movable shaft of the plunger 13 so as to be different from the arrangement of the driving electromagnet 11 and the charging holding electromagnet 12 shown in FIG. May be good. That is, the driving electromagnet (driving coil) 11 may be arranged on the flange side of the plunger 13, and the closing electromagnet (feeding holding coil) 12 may be arranged on the breaking spring 8 side.
  • the size in the radial direction can be reduced centering on the plunger 13 of the electromagnetic actuator.
  • FIG. 5 is a diagram showing an electromagnetic actuator in the case where the driving electromagnet (coil) and the charging and holding electromagnet (coil) are arranged concentrically with respect to the driving shaft of the plunger 13 in the first embodiment.
  • the driving electromagnet (drive coil) 11 is arranged on the plunger 13 side, and the charging holding electromagnet (feeding holding coil) 12 is arranged on the outer periphery of the driving electromagnet (drive coil) 11.
  • the driving electromagnet 11 and the charging holding electromagnet 12 may be arranged in the radial direction of the plunger 13 so as to be different from the arrangement of the driving electromagnet 11 and the charging holding electromagnet 12 shown in FIG. That is, the throw-in / hold electromagnet (feed-in / hold coil) 12 is arranged on the plunger 13 side, and the drive electromagnet (drive coil) 11 is placed on the outer periphery of the throw-in / hold electromagnet (feed-in / hold coil) 12. May be done.
  • the size of the plunger 13 of the electromagnetic actuator 13 in the direction of the movable axis (axial direction) can be reduced.
  • FIG. 6 is a diagram showing a control circuit of the driving electromagnet (coil) 11 and the charging holding electromagnet (coil) 12 in the first embodiment.
  • the drive electromagnet (coil) 11 is controlled by a control circuit including a first power supply 22 and a first switch 20 to supply a current to the drive electromagnet (coil) 11.
  • the first switch 20 receives a first command to turn the switch on or off. When the first switch 20 is turned on according to the first command, a current flows through the driving electromagnet (coil) 11, the driving electromagnet is excited, and the plunger becomes the driving electromagnet (coil) 11. Gravitate. When the first switch 20 is turned off according to the first command, no current flows through the driving electromagnet (coil) 11, so that the driving electromagnet is not excited.
  • the on-holding electromagnet (coil) 12 is controlled by a control circuit including a second power supply 23 and a second switch 21 to supply current to the on-holding electromagnet (coil) 12.
  • the second switch 21 receives a second command to turn the switch on or off. When the second switch 21 is turned on according to the second command, a current flows through the on-holding electromagnet (coil) 11, the on-holding electromagnet is excited, and the on-off state of the switch is maintained. ..
  • the first switch 20 and the second switch 21 of the control circuit are instructed to be turned on by the first command and the second command. In response to this, the first switch 20 and the second switch 21 are turned on.
  • the switch 20 When the switch 20 is kept on, the first switch 20 of the control circuit is instructed to turn off by the first command, and the first switch 20 is in the off state and the second switch 20 is turned off.
  • the switch 21 is turned on.
  • the first switch 20 and the second switch 21 of the control circuit are instructed to be turned off by the first command and the second command, and the first switch is turned off.
  • the 20 and the second switch 21 are turned off.
  • the switch is in the open state, no current flows through the electromagnet, so that the movable electrode of the switch and the plunger move to the right in FIG. 6 by the load force from the breaking spring 8.
  • FIG. 6 shows a control circuit of the electromagnetic actuator when the driving electromagnet 11 and the charging holding electromagnet 12 are arranged concentrically with respect to the movable axis of the plunger 13, but the driving electromagnet (driving) is shown. It can also be applied as a control circuit of an electromagnetic manipulator when the coil) 11 and the electromagnet for holding the input (the coil for holding the input) 12 are arranged coaxially.
  • control circuit may be configured by a constant voltage circuit such as.
  • an electromagnet can be prepared for each role such as a drive function for moving from an open position to a closing position and a function for maintaining a closing state, and a switch unit having an inexpensive, compact, and lightweight electromagnetic manipulator can be provided. realizable.
  • FIG. 7 is a diagram relating to the electromagnetic actuator of the second embodiment, and is a diagram showing the electromagnetic actuator when the electromagnet (coil) for driving and the electromagnet (coil) for holding the input are coaxially arranged. The description of the same matters as in the first embodiment will be omitted.
  • the driving electromagnet (driving coil) 11 is arranged on the cutoff spring 8 side, and the charging holding electromagnet (feeding holding coil) 12 is arranged on the flange portion side of the plunger 13.
  • the electromagnetic actuator shown in FIG. 7 is a hybrid electromagnetic actuator in which the permanent magnet 14 is a combination of a permanent magnet and an electromagnet arranged between the electromagnet 12 for holding the input and the flange of the plunger 13.
  • FIG. 8 is a diagram relating to the electromagnetic actuator of the second embodiment, and is a diagram showing the electromagnetic actuator when arranged concentrically with respect to the movable shaft of the plunger 13.
  • the driving electromagnet (drive coil) 11 is arranged on the plunger 13 side, and the charging holding electromagnet (feeding holding coil) 12 is arranged on the outer periphery of the driving electromagnet (drive coil) 11.
  • the electromagnetic actuator shown in FIG. 8 is a hybrid electromagnetic actuator in which a permanent magnet 14 is arranged between the driving electromagnet 11 and the closing electromagnet 12 and the flange of the plunger 13.
  • FIG. 14 is a diagram showing a general electromagnetic manipulator with the switch in the turned-on state and the open state.
  • the left side of FIG. 14 shows the state of the electromagnetic actuator with the switch turned on.
  • the attractive force 40 is working by the load force 41 generated in the vertical direction from the breaking spring 8 and the magnetic force from the permanent magnet 14, and in the charged state, the attractive force> the load force.
  • FIG. 14 shows the state of the electromagnetic actuator with the switch open. There is no magnetic force from the electromagnet 10, and the attractive force from the permanent magnet 14 works, but in the open state, the load force> the attractive force.
  • the switch is opened due to the load force when the breaking spring 8 is extended.
  • the distance from the lower surface of the support portion that supports the electromagnet 10 to the lower part of the plunger 13 is called the plunger gap 50. When the switch is turned on, the plunger gap 50 is zero.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the load force / the attractive force of the permanent magnet and the plunger gap.
  • the load force or suction force is shown on the vertical axis
  • the plunge gap is shown on the horizontal axis.
  • the load force is shown by a solid line, and the attractive force of a permanent magnet is shown by a dotted line. From the left on the horizontal axis, the switch insertion position, main contact touch position, and opening position are shown. An enlarged view of the square area surrounded by the dotted line is shown in FIG.
  • FIG. 10 is an enlarged view in the vicinity of the insertion position of FIG.
  • the load force or the suction force is shown on the vertical axis
  • the plunger gip is shown on the horizontal axis.
  • the load force is shown by a solid line
  • the attractive force of the permanent magnet is shown by a dotted line.
  • the permanent magnet keeps the turned-on state, so the power consumption at the time of turning on (during operation) can be reduced, while turning on. If the control circuit fails in the state, the opening operation cannot be performed, and there is a problem that it does not match the concept of fail-safe.
  • an off-trip function is provided for fail-safe of the hybrid electromagnetic operation mechanism.
  • the load force and the attractive force of the permanent magnet in this embodiment will be described with reference to FIG.
  • the range of the arrow A1 in FIG. 10 indicates the range of the attractive force of the permanent magnet used in the conventional hybrid electromagnetic actuator having no off-trip function.
  • the range of the arrow A2 indicates the range of the attractive force of the permanent magnet used in this embodiment having the off-trip function.
  • the charging position A4 is set at a position where the attractive force of the permanent magnet is smaller than that of the charging position A3 when the off-trip function is not provided.
  • the attractive force required for input holding of the electromagnet (coil) for input holding and the permanent magnet as a whole is indicated by the attractive force B1.
  • the attractive force borne by the charging and holding electromagnet (coil) is indicated by the attractive force B2.
  • the attractive force B3 is indicated by the attractive force B3.
  • the attractive forces borne by the closing electromagnet (coil) is indicated by the attractive force B4.
  • the attractive force borne by the permanent magnet is indicated by the attractive force B5.
  • the switch can be turned on and held only by the permanent magnet.
  • the attractive force of the permanent magnet can be used, the attractive force borne by the closing electromagnet (coil) can be reduced, and the closing electromagnet (coil) can be made smaller in Example 2 as compared with Example 1. Further, since the attractive force of the permanent magnet can be used, the driving electromagnet (driving coil) 11 can also be miniaturized.
  • control circuit of the current flowing through the electromagnet of FIG. 6 can also be applied in the second embodiment.
  • an electromagnet can be prepared for each role such as a driving function for moving from the open position to the closing position and a function for maintaining the closing state, and an inexpensive, compact, and lightweight electromagnetic manipulator. It is possible to realize a switch unit having.
  • the present embodiment has a permanent magnet that assists the attractive force
  • the driving electromagnet 11 and the charging and holding electromagnet 12 can be miniaturized as compared with the first embodiment.
  • the hybrid electromagnetic manipulator having the off-trip function can be realized, fail-safe can be realized.
  • FIG. 11 is a diagram relating to the electromagnetic manipulator of the third embodiment, in which the driving electromagnet 11 and the charging / holding electromagnet 12 in the first and second embodiments are combined into one electromagnet (driving / holding electromagnet 15). It consists of.
  • FIG. 11 is a diagram showing an electromagnetic actuator in the case where a permanent magnet is not used in the third embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram relating to an electromagnetic manipulator having another configuration according to the third embodiment, and the difference between FIGS. 12 and 11 is that in FIG. 12, the permanent magnet 14 is driven / held between the electromagnet 15 and the plunger 13. It is to be placed in.
  • the electromagnet of the electromagnetic controller When driving the switch, the electromagnet of the electromagnetic controller requires a large ampere-turn, so it is necessary to pass a large current through the electromagnet. In order to pass a large current, the smaller the resistance, the more advantageous it is, so the wire diameter of the coil of the electromagnet will be increased and the number of turns will be reduced.
  • the larger the resistance of the electromagnet the more advantageous it is, so the wire diameter of the coil of the electromagnet will be reduced and the number of turns will be increased.
  • the configuration of the electromagnet (coil) required when the switch is driven and when it is turned on and held is opposite, so if priority is given to driving, too much current will flow through the electromagnet when the switch is turned on and held. On the other hand, if it is adjusted at the time of turning on and holding, the current will be insufficient at the time of driving, so the coil will be set according to either one, and the other will be controlled by the current (or voltage) with the control circuit.
  • FIG. 13 is a diagram showing a control circuit that controls a current flowing through the drive / hold electromagnet 15 in the third embodiment.
  • the drive / hold electromagnet (coil) 15 is supplied with a current to the drive / hold electromagnet (coil) 15 by a control circuit including a power supply 33, a switch 32, a first resistance 30 and a second resistance 31. Is controlled.
  • the switch 32 is controlled to be on, and at the time of holding on, the switch 32 is controlled to be off.
  • the on and off of the switch in this way, it is possible to control the current flowing through the drive / hold electromagnet (coil) 15 so that a larger current flows during driving than during on-holding.
  • the current flowing through the electromagnet is controlled separately for the driving time and the holding time, so that the electromagnet can be unified and the structure can be simplified. Further, since the permanent magnet bears a part of the load force, the size of the coil can be reduced.
  • a case for supporting the electromagnet is installed around the electromagnets 10, 11 and 12, but the case is an example, and the electromagnet is supported by another means. May be good.
  • the plunger 13 shows a configuration having a flange portion in FIG. 4 and the like, it may have a shape of a plunger without a flange portion.
  • a fixed iron core connected to a case supporting the electromagnets 10, 11 and 12 may be arranged in the center of the electromagnet.
  • Electromagnetic controller 8 ... Breaking spring 10 . Electromagnet 11 ... Driving electromagnet 12 ... For loading and holding Electromagnet 13 ; Plunger 14 ; Permanent magnet 15 ... Drive / input / hold electromagnet (drive / hold coil)

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Abstract

固定電極と可動電極を有する開閉器と、前記開閉器に駆動力を発生させる電磁操作器とを有し、前記電磁操作器は、前記開閉器の駆動用および投入保持用の電磁石を有する開閉器ユニットである。

Description

開閉器ユニット
　本発明は、開閉器ユニットに関する。
　開閉器ユニットに関する従来技術として、特許文献１がある。特許文献１には、固定電極と可動電極を接離する開閉器と、前記固定電極と電気的に接続された第一のブッシング導体と、前記可動電極と電気的に接続された第二のブッシング導体と、前記開閉器に駆動力を供給する操作機構と、前記開閉器、前記第一のブッシング導体、および、前記第二のブッシング導体を覆う絶縁ケースと、を具備する開閉器ユニットであって、前記可動電極の可動方向と前記操作機構を略直線状に配置したことを特徴とする開閉器ユニットが記載されている。
特開２０１８－４９７６４号公報
　開閉器を駆動する電磁操作器の電磁石は、開放位置から投入位置まで動かす駆動用の機能と、投入状態を維持する機能といった役割が求められるが、役割ごとに最適設計した電磁石が望ましい。そして、電磁操作器としては安価、小型、軽量であることが求められる。
　特許文献１には、開閉器に駆動力を供給する操作機構について、安価、小型、軽量な電磁操作器を実現することについては、考慮されてはいない。
　本発明の目的は、安価、小型、軽量な電磁操作器を備えた開閉器ユニットを提供することにある。
　本発明の好ましい一例としては、固定電極と可動電極を有する開閉器と、前記開閉器に駆動力を発生させる電磁操作器とを有し、
前記電磁操作器は、
前記開閉器の駆動用および投入保持用の電磁石を有する開閉器ユニットである。
　本発明によれば、安価、小型、軽量な電磁操作器を備えた開閉器ユニットを実現できる。
実施例１の開閉器ユニットの平面図。 開閉器が投入状態における電磁操作器を示す図。 開閉器が開放状態における電磁操作器を示す図。 実施例１において駆動用の電磁石と投入保持用の電磁石を同軸に配置した場合の電磁操作器を示す図。 実施例１において駆動用の電磁石と投入保持用の電磁石を同心円に配置した場合の電磁操作器を示す図。 実施例１における駆動用の電磁石、投入保持用の電磁石の制御回路を示す図。 実施例２において駆動用の電磁石と投入保持用の電磁石を同軸に配置した場合の電磁操作器を示す図。 実施例２において駆動用の電磁石と投入保持用の電磁石を同心円に配置した場合の電磁操作器を示す図。 負荷力／永久磁石の吸引力とプランジャギャップとの関係を示す図。 図９における投入位置近辺の拡大図。 実施例３において永久磁石を使わない場合の電磁操作器を示す図。 実施例３において永久磁石を使う場合の電磁操作器を示す図。 実施例３における駆動／保持用の電磁石の制御回路を示す図。 一般的な、投入状態及び開放状態の電磁操作器を示す図。
　以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
　図１は、実施例１の開閉器ユニット１００の平面図である。図１に示すように、開閉器ユニット１００は、固定電極１と可動電極２を有する開閉器として作用する真空インタラプタと、その開閉器を投入もしくは開放させるに要する駆動力を発生させる操作機構として作用する電磁操作器７を直線状に並べて構成したものである。実施例１では、永久磁石を使っていない電磁操作器７を示す。
　電磁操作器７は、例えば、バネに電磁石を組み合わせ、電磁石を構成するコイルへの通電をＯＮまたはＯＦＦに切り換えることで駆動力を発生させるものであり、それらを機構ケースで覆って構成されたものである。詳細については、後述する。
　開閉器は、固定電極１と、固定電極１に対して接触または開離する可動電極２と、両電極の周囲を覆うアークシールド３と、アークシールド３を支持し真空インタラプタの外側容器の一部を構成する円筒形状のセラミック絶縁筒４と、ベローズ５等から構成されている。真空インタラプタは、セラミック絶縁筒４などで覆うことで、その内部を真空状態に維持している。アークシールド３は、セラミック絶縁筒４により、固定される。
　ベローズ５により、真空インタラプタの真空状態を維持したまま可動電極２が可動出来る。
　可動電極２は、電磁操作器７が駆動する気中絶縁操作ロッド６によって固定電極１との接触もしくは切り離しの駆動力を受ける。
　図２は、開閉器が投入状態（オン状態）における電磁操作器を示す図である。投入状態においては、電磁石１１、１２に電流を流すことで、電磁石１１、１２が励磁される。そして、可動鉄心としてのプランジャ１３が、電磁石１１、１２に引き寄せられ、遮断ばね８は図２の右横方向から押し付けられる。そして、気中操作ロッド（図２では省略）から左横方向に押し付ける駆動力を可動電極２が受け、固定電極１と可動電極２が接触して開閉器が投入状態になる。
　図３は、開閉器が開放状態（オフ状態）における電磁操作器を示す図である。開放状態においては、電磁石１１、１２には電流は流れてなく、プランジャ１３は、遮断ばね８からの負荷力で図３の右横方向に移動し、固定電極１と可動電極２が切り離され、開閉器が開放状態となる。
　図４は、実施例１において駆動用の電磁石（駆動コイル）１１と投入保持用の電磁石（投入保持用コイル）１２を同軸に配置した場合の電磁操作器を示す図である。駆動用の電磁石（駆動コイル）１１は、遮断ばね８側に配置され、投入保持用の電磁石（投入保持用コイル）１２は、プランジャ１３の鍔部側に配置される。
　駆動用の電磁石１１は、開閉器の可動電極を開放位置から投入位置まで動かすための電磁石（コイル）である。投入保持用の電磁石は、開閉器の投入状態を維持する電磁石（コイル）である。
　駆動用の電磁石（コイル）１１は、プランジャギャップ(空隙)がある状態(磁気抵抗が大きい)からコイルを励磁してプランジャを吸引する必要があるため、駆動のためのエネルギー(アンペアターン＝電流×コイル巻数)が必要になる。
　そのため、大電流を流すか、コイル巻数が多いほど有利になるため、吸引力を大きくすると、駆動用のコイル１１が大きくなる。大電流を流すためにはオームの法則から、抵抗を小さくしたい。駆動エネルギーを大きくするにはコイルの巻数を増やしたい。しかし、抵抗を小さくするには、コイルの線形を太くするか、巻き数を少なくしたいので、コイルの抵抗を小さくすることとコイルの巻き数を増やすこととは相反する。また、駆動電圧を上げる必要があるが絶縁設計の要求が上がるデメリットがある。
　投入保持用の電磁石（投入保持用コイル）１２は、プランジャギャップが無い状態(コイルに鉄心が挿入された状態なので磁気抵抗が小さい)でコイルを励磁してプランジャを吸引するため、必要なエネルギーが少ない。駆動用の電磁石（コイル）に比べて、小さいエネルギ（アンペアターン）でよい。
　図４で示した駆動用の電磁石１１と投入保持用の電磁石１２の配置とは異なるように、プランジャ１３の可動軸の可動方向に駆動用の電磁石１１と投入保持用の電磁石１２を配置してもよい。つまり、駆動用の電磁石（駆動コイル）１１は、プランジャ１３の鍔部側に配置され、投入保持用の電磁石（投入保持用コイル）１２は、遮断ばね８側に配置されてもよい。
　図４に示す構成によれば、電磁操作器のプランジャ１３を中心に径方向のサイズを低減できる。
　図５は、実施例１において駆動用の電磁石（コイル）と投入保持用の電磁石（コイル）を、プランジャ１３の駆動軸に対して同心円に配置した場合の電磁操作器を示す図である。駆動用の電磁石（駆動コイル）１１は、プランジャ１３側に配置され、投入保持用の電磁石（投入保持用コイル）１２は、駆動用の電磁石（駆動コイル）１１の外周に配置される。
　図５で示した駆動用の電磁石１１と投入保持用の電磁石１２の配置とは異なるように、プランジャ１３の径方向に駆動用の電磁石１１と投入保持用の電磁石１２を配置してもよい。つまり、投入保持用の電磁石（投入保持用コイル）１２は、プランジャ１３側に配置され、駆動用の電磁石（駆動コイル）１１は、投入保持用の電磁石（投入保持用コイル）１２の外周に配置されてもよい。
　図５に示す構成によれば、電磁操作器のプランジャ１３の可動軸の方向（軸方向）のサイズを低減できる。
　図６は、実施例１における駆動用の電磁石（コイル）１１、投入保持用の電磁石（コイル）１２の制御回路を示す図である。駆動用の電磁石（コイル）１１には第１の電源２２と第１のスイッチ２０からなる制御回路により、駆動用の電磁石（コイル）１１に対する電流の供給が制御される。第１のスイッチ２０は、スイッチをオンまたはオフする第１の指令を受ける。第１のスイッチ２０が第１の指令に従いオンとなったときには、駆動用の電磁石（コイル）１１には電流が流れ、駆動用の電磁石が励磁され、プランジャが駆動用の電磁石（コイル）１１に引き寄せられる。第１のスイッチ２０が第１の指令に従いオフとなったときには、駆動用の電磁石（コイル）１１には電流が流れないので、駆動用の電磁石が励磁されない。
　投入保持用の電磁石（コイル）１２には第２の電源２３と第２のスイッチ２１からなる制御回路により、投入保持用の電磁石（コイル）１２に対する電流の供給が制御される。第２のスイッチ２１は、スイッチをオンまたはオフする第２の指令を受ける。第２のスイッチ２１が第２の指令に従いオンとなったときには、投入保持用の電磁石（コイル）１１には電流が流れ、投入保持用の電磁石が励磁され、開閉器の投入状態は維持される。
　開閉器の可動電極を開放位置から投入位置まで動かすため場合には、制御回路の第１のスイッチ２０および第２のスイッチ２１は、第１の指令および第２の指令により、オンするように指示を受け、第１のスイッチ２０および第２のスイッチ２１はオン状態となる。
　開閉器の投入状態を維持する場合には、制御回路の第１のスイッチ２０は、第１の指令により、オフとするような指示を受け、第１のスイッチ２０はオフ状態で、第２のスイッチ２１はオン状態となる。
　開閉器を開放状態とする場合には、制御回路の第１のスイッチ２０および第２のスイッチ２１は、第１の指令および第２の指令により、オフするように指示を受け、第１のスイッチ２０および第２のスイッチ２１はオフ状態となる。開閉器が開放状態の場合には、電磁石には電流は流れないので、開閉器の可動電極、およびプランジャは遮断ばね８からの負荷力で図６の右方向に移動する。
　図６は、駆動用の電磁石１１と投入保持用の電磁石１２を、プランジャ１３の可動軸に対して同心円に配置した場合の電磁操作器の制御回路を示しているが、駆動用の電磁石（駆動コイル）１１と投入保持用の電磁石（投入保持用コイル）１２を同軸に配置した場合の電磁操作器の制御回路としても適用できる。
　図６では、駆動用の電磁石１１と投入保持用の電磁石１２の制御用に、別々の電源２２、２３を使っているが、電源は１つで共通にして、抵抗を分圧したり、ツェナーダイオードなどの定電圧回路で、制御回路を構成してもよい。
　実施例１によれば、開放位置から投入位置まで動かす駆動用の機能と、投入状態を維持する機能といった役割ごとに電磁石を用意でき、安価、小型、軽量な電磁操作器を有する開閉器ユニットを実現できる。
　図７は、実施例２の電磁操作器に関する図であり、駆動用の電磁石（コイル）と投入保持用の電磁石（コイル）を同軸に配置した場合の電磁操作器を示す図である。実施例１と同じ事項の説明は省略する。
　図７では、駆動用の電磁石（駆動コイル）１１は、遮断ばね８側に配置され、投入保持用の電磁石（投入保持用コイル）１２は、プランジャ１３の鍔部側に配置される。図７で示す電磁操作器は、永久磁石１４が、投入保持用の電磁石１２とプランジャ１３の鍔部との間に配置された永久磁石と電磁石を組み合わせたハイブリッド形電磁操作器である。
　図８は、実施例２の電磁操作器に関する図であり、プランジャ１３の可動軸に対して同心円に配置した場合の電磁操作器を示す図である。駆動用の電磁石（駆動コイル）１１は、プランジャ１３側に配置され、投入保持用の電磁石（投入保持用コイル）１２は、駆動用の電磁石（駆動コイル）１１の外周に配置される。図８で示す電磁操作器は、駆動用の電磁石１１および投入保持用の電磁石１２とプランジャ１３の鍔部との間に、永久磁石１４が配置されたハイブリッド形電磁操作器である。
　図１４は、一般的な、開閉器が投入状態及び開放状態の電磁操作器を示す図である。図１４の左側に、開閉器が投入状態の電磁操作器の状態を示す。遮断ばね８からの図の垂直方向に生じる負荷力４１と、永久磁石１４からの磁力により吸引力４０が働いており、投入状態においては、吸引力＞負荷力である。
　図１４の右側には、開閉器が開放状態の電磁操作器の状態を示す。電磁石１０からの磁力はなく、永久磁石１４からの吸引力は働くが、開放状態においては、負荷力＞吸引力である。遮断ばね８が伸びる際の負荷力により、開閉器は開放状態となる。
　電磁石１０を支える支持部の下面からプランジャ１３の下部との間の距離をプランジャギャップ５０とよぶ。開閉器が投入状態においては、プランジャギャップ５０はゼロである。
　図９は、負荷力／永久磁石の吸引力とプランジャギャップとの関係を示す図である。図９は、負荷力または吸引力を縦軸に、プランジギャップを横軸に示す。
　負荷力は、実線で示し、永久磁石の吸引力は、点線で示す。横軸の左から順に、開閉器の投入位置、主接点のタッチ位置、開放位置を示す。点線で囲んだ四角の領域を拡大した図を図１０に示す。
　図１０は、図９の投入位置近辺における拡大図である。図１０は、負荷力または吸引力を縦軸に、プランジャギップを横軸に示す。図９と同じく、負荷力は、実線で示し、永久磁石の吸引力は、点線で示す。
　ところで、新幹線などの鉄道車両において、走行中の不具合発生時に対するフェールセーフの考えは「電車を止めること」であるため、パンタグラフからの電源を入切(開閉)する開閉器としての真空遮断器(VCB)は不具合発生時に開放動作をするオフトリップ機能が求められる。
　真空遮断器の電磁操作器として、永久磁石と電磁石を組み合わせたハイブリッド形電磁操作機構を適用する場合、永久磁石で投入状態を保持するため投入時(運用中)の消費電力を低減できる一方、投入状態で制御回路が故障すると開放操作ができなくなり、フェールセーフの考え方に合致しないという課題がある。
　本実施例では、ハイブリッド形電磁操作機構のフェールセーフのためにオフトリップ機能を有する。図１０を使って本実施例における負荷力と永久磁石の吸引力について説明する。
　図１０の矢印Ａ１の範囲は、従来のオフトリップ機能を持たないハイブリッド形電磁操作器で使用する永久磁石の吸引力の範囲を示す。
　矢印Ａ２の範囲は、オフトリップ機能を持たせた本実施例で使用する永久磁石の吸引力の範囲を示す。本実施例においては、オフトリップ機能を持たせていない場合の投入位置Ａ３に比べて、永久磁石の吸引力が小さくなる位置に投入位置Ａ４が設定される。
　投入保持用電磁石（コイル）と永久磁石の全体で投入保持に必要な吸引力は、吸引力Ｂ１で示す。
　投入保持に必要な吸引力のうち、投入保持用電磁石（コイル）が負担する吸引力を吸引力Ｂ２で示す。
　投入保持用電磁石（コイル）が負担する吸引力のうち、裕度となる吸引力を吸引力Ｂ３で示す。投入保持用電磁石（コイル）が負担する吸引力のうち、最低保持力を吸引力Ｂ４で示す。
　投入保持に必要な吸引力のうち、永久磁石が負担する吸引力を吸引力Ｂ５で示す。Ｂ６の吸引力を超えると、永久磁石だけで開閉器の投入保持できる。
　永久磁石の吸引力を使えるので、投入保持用電磁石（コイル）が負担する吸引力は小さくでき、実施例１に比べて、実施例２では投入保持用電磁石（コイル）は小型化できる。また、永久磁石の吸引力を使えるので、駆動用の電磁石（駆動コイル）１１も小型化できる。
　図６の電磁石に流す電流の制御回路は、実施例２においても適用できる。
　実施例２によれば、実施例１と同じく、開放位置から投入位置まで動かす駆動用の機能と、投入状態を維持する機能といった役割ごとに電磁石を用意でき、安価、小型、軽量な電磁操作器を有する開閉器ユニットを実現できる。
　また、本実施例では吸引力補助となる永久磁石を有するので実施例１に比べて、駆動用の電磁石１１および投入保持用の電磁石１２を小型化できる。さらに、実施例２によれば、オフトリップ機能を有するハイブリッド形電磁操作器を実現できるので、フェールセーフを実現できる。
　図１１は、実施例３の電磁操作器に関する図であり、実施例１、実施例２における駆動用の電磁石１１および投入保持用の電磁石１２を、１つの電磁石（駆動/保持用の電磁石１５）で構成している。図１１は、実施例３において永久磁石を使わない場合の電磁操作器を示す図である。
　図１２は、実施例３の別の構成の電磁操作器に関する図であり、図１２と図１１と異なる点は、図１２では永久磁石１４を駆動/保持用の電磁石１５とプランジャ１３との間に配置していることである。
　開閉器の駆動時においては、電磁操作器の電磁石は、大きいアンペアターンが必要なので、電磁石に大電流を流す必要がある。大電流を流すためには、抵抗が小さいほど有利なので、電磁石のコイルの線径を太くする、巻数を減らすことになる。
　開閉器の投入保持時においては、電磁操作器の電磁石は、小さいアンペアターンで十分なので、電磁石には駆動時に比べて小電流を流せばよい。
　投入保持状態の消費電力を小さくするためには、電磁石の抵抗が大きいほど有利なので、電磁石のコイルの線径を細くする、巻数を増やすことになる。
　開閉器の駆動時と投入保持時で要求される電磁石（コイル）の構成が反対である、そこで、駆動時を優先すると、投入保持時は、電磁石に電流が流れすぎてしまう。一方、投入保持時に合わせると、駆動時に電流が不足するため、どちらかに合わせてコイルを設定して、他方は制御回路で電流(もしくは電圧)制御することになる。
　図１３は、実施例３における駆動／保持用の電磁石１５に流す電流を制御する制御回路を示す図である。
  駆動／保持用の電磁石（コイル）１５には電源３３とスイッチ３２と、第１の抵抗３０、第２の抵抗３１からなる制御回路により、駆動／保持用の電磁石（コイル）１５に対する電流の供給が制御される。
　駆動時には、スイッチ３２をオンの制御をし、投入保持時には、スイッチ３２のオフの制御をする。そのようにスイッチのオンとオフを制御することで、駆動／保持用の電磁石（コイル）１５に流れる電流を、駆動時には、投入保持時に比べて大きな電流を流すように制御できる。
　図１３では、駆動／保持用の電磁石（コイル）１５に流す電流を制御するために、抵抗値を変化させることで制御したが、駆動／保持用の電磁石（コイル）１５への電圧を変化させて制御するようにしてもよい。
　実施例３によれば、電磁石（コイル）に流す電流を、駆動時、保持時で分けて制御することで電磁石を一つにでき、構造を簡素化できる。また、永久磁石が負荷力を一部負担するため、コイルのサイズを小さくすることができる。
　図７、図８、図１４などで、電磁石１０、１１、１２の周囲に電磁石を支持するケースを設置しているが、ケースは一例であり、別の手段で、電磁石を支持するようにしてもよい。
　図４などでプランジャ１３は鍔部を有する構成を示しているが、鍔部のないプランジャの形状であってもよい。
　図１４において、可動鉄心であるプランジャ１３以外に、電磁石１０、１１、１２を支持するケースと接続した固定鉄心を電磁石の中心部に配置してもよい。
１…固定電極
２…可動電極
３…アークシールド
４…セラミック絶縁筒
５…ベローズ
６…気中絶縁操作ロッド
７…電磁操作器
８…遮断ばね
１０…電磁石
１１…駆動用の電磁石
１２…投入保持用の電磁石
１３…プランジャ
１４…永久磁石
１５…駆動用/投入保持用電磁石（駆動/保持コイル）

Claims (10)

  1. 固定電極と可動電極を有する開閉器と、
    前記開閉器に駆動力を発生させる電磁操作器とを有し、
    前記電磁操作器は、
    前記開閉器の駆動用および投入保持用の電磁石を有する開閉器ユニット。
  2. 請求項１に記載の開閉器ユニットにおいて、
    前記電磁石は、
    前記開閉器を駆動する駆動用の第１の電磁石と、前記開閉器の投入保持用の第２の電磁石とを有する開閉器ユニット。
  3. 請求項２に記載の開閉器ユニットにおいて、
    前記第１の電磁石と前記第２の電磁石は同軸上に配置されている開閉器ユニット。
  4. 請求項２に記載の開閉器ユニットにおいて、
    前記第１の電磁石と前記第２の電磁石は同心円状に配置されている開閉器ユニット。
  5. 請求項２に記載の開閉器ユニットにおいて、
    吸引力補助として永久磁石が配置されている開閉器ユニット。
  6. 請求項２に記載の開閉器ユニットにおいて、
    前記第１の電磁石および前記第２の電磁石に流れる電流を制御をする制御回路を有する開閉器ユニット。
  7. 請求項１に記載の開閉器ユニットにおいて、
    前記駆動用および前記投入保持用の電磁石は一つの電磁石である開閉器ユニット。
  8. 請求項７に記載の開閉器ユニットにおいて、
    吸引力補助として永久磁石が配置されている開閉器ユニット。
  9. 請求項７に記載の開閉器ユニットにおいて、
    前記電磁石に前記駆動用の第１の電流を供給する、もしくは前記電磁石に前記投入保持用の、前記第１の電流より少ない第２の電流を供給する制御回路を有する開閉器ユニット。
  10. 請求項１に記載の開閉器ユニットにおいて、
    前記開閉器の開放の際には、
    遮断ばねからの力で前記固定電極と前記可動電極が切り離される開閉器ユニット。
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