(57)【要約】【課題】開極位置で大きな吸引力を発揮でき、閉極位置で吸引力を抑制できる開閉器用の電磁操作機構（電磁石）および開閉器を得る。【解決手段】開閉器１の電磁操作機構１０を、電磁コイル１１、その電磁コイル１１の励磁により、電磁コイル１１の中心軸上を移動する可動子１３、その中心軸上に配置され、可動子１３の端部が当接する当接面部１２ａと、当接面部１２ａの外周から可動子１３側に向かって突出する突起部１５を含む固定子１２を備えた構造とし、突起部１５に電磁コイル１１の励磁によって発生する磁束３０を導くように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁コイル、上記電磁コイルの励磁により、上記電磁コイルの中心軸上を移動する可動子、上記中心軸上に配置され、上記可動子の端部が当接する当接面部と、上記当接面部の外周から上記可動子側に向かって突出する突起部を含む固定子を備えたことを特徴とする電磁操作機構。
【請求項２】
上記固定子の上記当接面部は、上記可動子と接する領域とその周囲を含む平面部よりなることを特徴とする請求項１記載の電磁操作機構。
【請求項３】
上記固定子の上記突起部は、上記当接面部の外周の全周から所定の幅で上記中心軸に平行に突出することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電磁操作機構。
【請求項４】
上記固定子の上記突起部の突出量は、上記可動子のストロークの半分程度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の電磁操作機構。
【請求項５】
上記可動子に固定されたシャフトの軸受け部が形成されるとともに、上記電磁コイルの周囲を覆う外周ヨーク、上記外周ヨーク内の上記電磁コイル上に配置され、上記外周ヨークの内壁部から上記可動子の外周に向かって広がりを持つ中間ヨーク、上記可動子の側面を取り巻くように上記中間ヨークの端部に配置され、上記可動子の閉極を保持するように働く永久磁石、上記永久磁石の吸引力を打ち消す方向に磁束を発生させ、上記可動子の開極動作を可能とする開極コイルを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の電磁操作機構。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項記載の上記電磁操作機構によって、真空バルブ内の接点が駆動されることを特徴とする開閉器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁操作機構およびその電磁操作機構を用いた開閉器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧開閉器として接点部に真空バルブを用いた真空開閉器がある。真空開閉器の代表的な開閉器として、短絡時の事故電流を遮断できる真空遮断器がある。真空遮断器は、遮断性能を有するため、高速で開極する必要がある。よって、開極速度の発生源となる接圧ばねは大きな荷重が必要となる。また、安定した開極をするためには開放ばねが必要となる。一方、閉極機構は接圧ばねと開放ばねを加えた負荷力以上の荷重を発生させ閉極させる必要があるものであった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、開閉器は、接点部に真空バルブを用いた開閉器であり、真空遮断器とよく似た形態をとるもので、接点部を駆動する電磁操作機構の長寿命化を狙った、可動部品の少ないものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２１７０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
開閉器は、遮断器に比べて開閉動作回数の多い開閉器であり、短絡電流等の大きな電流の遮断性能を有しない。よって、電極動作時に負荷となる負荷特性が遮断器とは大きく異なる。
従来の遮断器の負荷特性と比較し、開極位置での荷重と閉極位置での荷重がほぼ一定となる。ほぼ一定の負荷特性に対し、閉極するためには負荷特性以上の閉極力（吸引力または荷重。）が必要となる。一方、閉極動作の動力源となる電磁操作機構（電磁石）は、特性上、磁気空隙の二乗に反比例して吸引力は増加する。そのため、開極位置に比べ、閉極位置は非常に大きな吸引力となり、閉極動作時の余剰エネルギは開閉時に衝撃荷重となり、操作機構全体や、操作機構を支える構造物に負荷を与える。よって、従来の開閉器および電磁操作機構は、長寿命化を達成するためには、衝撃荷重に耐えうる長大な開閉器や操作機構になってしまうという問題があった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、操作機構において、開極位置に大きな吸引力を発揮でき、閉極位置での吸引力を抑制でき、閉極時の余剰エネルギが少ない開閉器に適した電磁操作機構およびその電磁操作機構を用いた開閉器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わる電磁操作機構は、電磁コイル、上記電磁コイルの励磁により、上記電磁コイルの中心軸上を移動する可動子、上記中心軸上に配置され、上記可動子の端部が当接する当接面部と、上記当接面部の外周から上記可動子側に向かって突出する突起部を含む固定子を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、この発明に係わる開閉器は、上記の電磁操作機構によって、真空バルブ内の接点が駆動されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の電磁操作機構は、固定子に設けた突起部によって、固定子と可動子とが開極状態である場合の両者間の距離を突起部高さ分だけ小さくでき、吸引力を突起部がない場合よりも大きくすることができ、閉極状態である場合に、発生する磁束の一部を可動子から突起部側に向かって、中心軸に垂直な方向に流し、中心軸方向に流れる磁束を少なくでき、吸引力を小さく抑制することができる。そのため、本発明の電磁操作機構は、開閉動作回数の多い開閉器に適した特性を得られるという効果がある。
【００１０】
また、この発明の開閉器は、上記のような電磁操作機構を用いているため、装置の耐久性を高くすることができるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１による電磁操作機構を用いた開極状態の開閉器の構造を示す要部断面構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による電磁操作機構を用いた閉極状態の開閉器の構造を示す要部断面構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１による開閉器の負荷特性と電磁石（電磁操作機構）吸引力特性および真空遮断器の負荷特性と先行技術の電磁石（電磁操作機構）吸引力性を示す特性図である。
【図４】この発明の実施の形態２による開極状態の電磁操作機構の要部断面構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２による閉極状態の電磁操作機構の要部断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１の電磁操作機構およびその電磁操作機構を用いた開閉器について、図１〜図３を用いて説明する。
図１、図２は、それぞれ、開極状態、閉極状態の開閉器１の要部断面構成図である。開閉器１は、電磁操作機構１０と、その電磁操作機構１０によって接点２１が駆動される真空バルブ２０を含む構成である。この例では、電磁操作機構１０の接点が、開極（閉極）状態のとき、真空バルブ２０の接点２１は開極（閉極）状態となっている。
この発明の電磁操作機構１０（電磁石）は、接点を構成する固定子１２の構造に特徴があり、固定子１２は、可動子１３の端部（端面）が当接する当接面部１２ａと、その当接面部１２ａの外周から可動子１３側に向かって突出する突起部１５を含む形状となるように形成される。
【００１３】
図１において、真空バルブ２０は真空中に接点２１を備えた構成であり、接点２１を開閉することで電源を入り切りする。その真空バルブ２０の接点２１に一端が繋がる接圧ばね２２は、安定した荷重を接点２１に加える構成であり、接圧ばね２２の他端は、例えばレバー２４の一端に接続される。レバー２４は、電磁操作機構（電磁石）１０の動作を真空バルブ２０側に伝えるための駆動機構部の一部であるが、そのレバー２４の中間位置であるレバーの回転中心２５には、レバー２４の回転に伴って伸縮する開放ばね２３が配置されており、開放ばね２３の伸縮による荷重でレバーの回転中心２５が回転し、レバー２４が連動する構成となっている。この開放ばね２３は、真空バルブ２０の自閉力に対して開極状態の保持のために荷重を加える構成である。なお、真空バルブ２０に電磁操作機構１０側から真空バルブ２０の接点２１を駆動させるための構成は駆動機構部に相当し、駆動機構部は、図１、図２の例では、接圧ばね２２、開放ばね２３、レバー２４、レバーの回転中心２５を含む構成である。
【００１４】
ここで、電磁操作機構１０は、真空バルブを操作するための操作機構である。電磁操作機構１０は、略円筒形状の電磁コイル１１の中心軸上に固定子１２と可動子１３が配置され、可動子１３は、シャフト１４に固定され一体となっている。電磁コイル１１の周囲を取り囲む外周ヨーク１６は、電磁コイル１１の中心軸上にシャフト１４を保持するための上側軸受け１８と下側軸受け１９が配置されている。シャフト１４の下端側は、駆動機構部のレバー２４の一端に接続され、電磁操作機構１０の動作を、真空バルブ２０の接点２１側に、駆動機構部を介して伝える構成となっている。
【００１５】
この図１および図２の例では、電磁コイル１１の中心軸は鉛直方向に沿った軸であり、可動子１３は、固定子１２の上側に配置されている。外周ヨーク１６は、上端部と下端部が覆われた略円筒形状であるが、内部に配置する電磁コイル１１の上部に、外周ヨーク１６の内壁部から中心軸に向かって、中心軸上の所定高さに広がりを持ち、平面形状が略リング状である中間ヨーク１７が配置されている。中間ヨーク１７は、略円筒形状の可動子１３の外周を、所定距離だけ隔てて取り巻く形状に形成されており、中間ヨーク１７の内径は、可動子１３の外径よりも大きく形成されている。
【００１６】
上述したように、実施の形態１による電磁操作機構１０の構造で、最も特徴的な部分は固定子１２の形状である。固定子１２は、可動子１３とで接点を構成しているが、可動子１３が当接する固定子１２の当接面部１２ａは、円筒形状の可動子１３の端面（接合面）よりも一回り大きな同軸の円形平面部として形成されている。そして、その固定子１２の当接面部１２ａの周囲から、軸方向に沿って可動子１３側に突出するリング状の突起部１５を含んだ構造となっている。また、図１、図２に示す例では、突起部１５は、当接面部１２ａの外周の全周から所定の幅で中心軸に平行に突出しており、突起部１５の突出量は、可動子１３のストロークの半分程度である。なお、突起部１５は、固定子１２の本体部分と一体に形成された例を示したが、別部材として形成することも可能である。
【００１７】
上記のような突起部１５を含む固定子１２を用いることで、電磁操作機構１０の電磁コイル１１に電流を通電すると、電磁コイル１１を覆う固定子１２、可動子１３、外周ヨーク１６、中間ヨーク１７に磁束３０（または磁束３１）が発生し、閉極動作が行われるが、その磁束３０（３１）は、突起部１５を介して流れる構成となる。
【００１８】
電磁操作機構１０の固定子１２と可動子１３よりなる接点の動作について説明する。図１に示すように、固定子１２から可動子１３が離れた開極状態から、閉極動作を行う場合、電磁コイル１１に電流を通電すると、電磁コイル１１の表面を覆う固定子１２、可動子１３、外周ヨーク１６、中間ヨーク１７内に磁束３０が発生し、可動子１３は固定子１２に吸引される方向に吸引力が発生し、開放ばね２３の荷重を吸引力が上回ると可動子１３は下側（固定子側）に移動し、固定子１２の当接面部１２ａに接触後、可動子１３は固定子１２に保持されることで図２に示すような閉極状態となる。
この電磁操作機構１０の接点の閉極動作の際、可動子１３と連動して、駆動機構部を介して真空バルブ２０内の接点２１が接触し、図２に示すような閉極状態となる。
【００１９】
また、閉極状態から、電磁コイル１１内に通電されている電流を遮断することで、可動子１３に発生している吸引力が無くなり、可動子１３は、接圧ばね２２および開放ばね２３の働き（荷重）によって開極位置まで移動し、可動子１３に連動して真空バルブ２０内の接点も開極し、図１に示す開極状態となる。
なお、上述の例では、電磁コイル１１の中心軸が鉛直方向の場合について示したが、中心軸が鉛直方向以外の方向に設置される場合もある。
【００２０】
図３は、開極状態から閉極状態までの負荷特性（接圧ばね荷重＋開放ばね荷重）を真空遮断器（細破線）、開閉器（細実線）１について示す。また、先行技術（従来）の電磁石吸引力特性（太破線。電磁操作機構吸引力特性。）、本発明の電磁石吸引力特性（太実線。電磁操作機構吸引力特性。）を示している。図３の横軸は、可動子１３の配置（開極位置から閉極位置。）、縦軸は、荷重（吸引力）をそれぞれ示している。図３に示すように、開閉器１の負荷特性（細実線）は、真空遮断器の負荷特性（細破線）と比較して、開極位置から閉極位置までの荷重の変化が小さい特徴があり、ほぼ一定の荷重となる。開閉器１は、多数回の開閉が可能な耐久力が必要であり、負荷特性を上回り、かつ、余剰エネルギ（（吸引力−負荷力）×移動距離）を抑制した電磁力が必要となる。電磁石の吸引力は固定子１２と可動子１３との間の距離の二乗に比例するため、開極位置で最も吸引力が小さく、閉極位置で最も吸引力が大きくなる傾向となる。
【００２１】
本発明の電磁石（電磁操作機構）構造の特徴として、図３に太実線で示すように、固定子１２に突起部１５を設けることで、部分的にストロークを小さくでき、開極位置でも磁束３０が突起部１５を介して流れるため、突起部１５が無い場合よりも大きな吸引力を得ることができる。また、閉極位置でも突起部１５内部を磁束３１が流れるが、可動子１３を吸引する方向に対し、垂直な方向、つまり可動子１３の側面から、突起部１５の内側面に磁束３１の一部が流れるため、吸引力を小さく抑制することができる。
よって、本発明の電磁石（電磁操作機構）は、図３の太実線で示す吸引力特性を発揮できるため、余剰エネルギを抑制でき、長寿命化が可能であり、開閉器１の電磁操作機構１０自体、および、電磁操作機構１０を支える構造物を小さく構成できるという効果がある。
【００２２】
実施の形態２．  
上述の実施の形態１では、電磁操作機構１０の固定子１２に突起部１５を設けることで、開閉器１に適した開極動作、閉極動作を実施できることについて説明した。
この実施の形態２では、実施の形態１で示した突起部１５の構造に加え、電磁操作機構１０に、可動子１３の閉極動作時に働く永久磁石４０、開極動作時に働く開極コイル４１を設けた例について説明する。
【００２３】
図４は、この実施の形態２の電磁操作機構１０の開極動作時の要部断面図を示しており、図５は、電磁操作機構１０の閉極動作時の要部断面図を示している。
図４および図５に示すように、実施の形態２の電磁操作機構１０は、電磁コイル１１の周囲を覆う外周ヨーク１６、外周ヨーク１６内の電磁コイル１１上に配置され、外周ヨーク１６の内壁部から可動子１３の外周に向かって広がりを持つ中間ヨーク１７、可動子１３の側面を取り巻くように中間ヨーク１７の端部に配置され、可動子１３の閉極を保持するように働く永久磁石４０、永久磁石４０の吸引力を打ち消す方向に磁束を発生させ、可動子１３の開極動作を可能とする開極コイル４１を備えている。
【００２４】
ここで、開極コイル４１は、例えば、図４、図５に示すように、外周ヨーク１６内に、電磁コイル１１と同軸に、その外周を取り巻くように配置される。
【００２５】
このように、中間ヨーク１７と可動子１３間に、永久磁石４０を配置することで、永久磁石４０の吸引力によって可動子１３の閉極保持を達成し、開極保持時における電力消費を不要とすることができ、また、開極コイル４１を配置することで、永久磁石４０の吸引力を打ち消す方向に開極コイル４１の磁束を発生させ、開極動作を実施可能とすることができた。固定子１２に突起部１５を設け、かつ、永久磁石４０と開極コイル４１を配置することで、閉極保持時の電力消費を抑制した開閉器１に適した電磁操作機構１０を得ることができた。
【００２６】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１開閉器、１０電磁操作機構（電磁石）、１１電磁コイル、１２固定子、１２ａ当接面部、１３可動子、１４シャフト、１５突起部、１６外周ヨーク、１７中間ヨーク、１８上側軸受け、１９下側軸受け、２０真空バルブ、２１接点、２２接圧ばね、２３開放ばね、２４レバー、２５レバーの回転中心、３０、３１磁束、４０永久磁石、４１開極コイル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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