(57)【要約】【課題】永久磁石を逆励磁することなく、かつコイル電流が作る磁路中に永久磁石が存在しない電磁石と、この電磁石を用いた開閉装置の操作機構の提供。【解決手段】可動鉄心１と、可動鉄心１を包囲して設けられたコイル３と、コイル３を包囲して設けられた固定鉄心２とを含んで構成されている電磁石であって、前記固定鉄心２は、前記コイル３の下面側に設けられて中央部に前記コイルと同心の円形の開口を持つ第１の角形平板２ｆと、前記第１の角形平板２ｆに載置され前記コイル３を包囲して設けられた同心の鋼管２ｅと、前記鋼管２ｅの上端に載置されて中央部に前記コイル３と同心の円形の開口を持つ第２の角形平板２ｄとを含んで形成され、前記第２の角形平板２ｄの上面に永久磁石１２が固定配置され、前記可動鉄心１は、前記永久磁石１２に対向する磁性体を含んで形成され、前記固定鉄心２は、前記第１、第２の角形平板の４隅または対角線上の２隅の孔に挿通されたロッド１４とこのロッド１４に螺合するナットで前記鋼管２ｅを挟持して形成されている。【選択図】図９
2006222438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動鉄心と、可動鉄心を包囲して設けられたコイルと、コイルを包囲して設けられた固定鉄心とを含んで構成され、前記固定鉄心は、前記コイルの下面側に設けられて中央部に前記コイルと同心の円形の開口を持つ第１の角形平板と、前記第１の角形平板に載置され前記コイルを包囲して設けられた同心の鋼管と、前記鋼管の上端に載置されて中央部に前記コイルと同心の円形の開口を持つ第２の角形平板とを含んで形成され、前記第２の角形平板の上面に永久磁石が固定配置され、前記可動鉄心は、前記永久磁石に対向する磁性体を含んで形成され、固定鉄心は、前記第１、第２の角形平板の４隅または対角線上の２隅の孔に挿通されたロッドとこのロッドに螺合するナットで前記鋼管を挟持して形成されている電磁石。
【請求項２】
請求項１記載の電磁石において、前記第２の角形平板の上面に前記鋼管と同心に配置された円筒と、この円筒の上面に積み重ねられた第３の角形平板とを備え、前記ロッドは、さらに前記第３の角形平板の４隅または対角線上の２隅の孔に挿通され、前記円筒と第３の角形平板を併せて固定していることを特徴とする電磁石。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の電磁石と、接離自在な接点と、前記接点を開極するための遮断バネを備え、前記電磁石の前記コイルに順方向および逆方向の電流を選択的に流すことができる電源回路を設け、順方向に電流を流したときに前記遮断バネを蓄勢しながら接点を投入し、前記永久磁石の吸引力によって投入状態を維持し、前記コイルに逆方向の電流を流すときに前記永久磁石の作る磁束を打ち消して、前記遮断バネの力で遮断することを特徴とする開閉器の操作機構。
【請求項４】
前記電磁石は、同一のものが複数個組み合わせて用いられることを特徴とする請求項３に記載の開閉器の操作機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁石及びそれを用いた開閉装置の操作機構の構成に関するもので、特に永久磁石の減磁を抑制した電磁石とそれを適用した信頼性の高い開閉装置の操作機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
開閉装置の操作機構には、電動バネ操作機構、油圧式および空気圧式操作機構などがある。通常これらの操作機構は、部品数が多く、リンク機構が複雑になるために比較的高い製造コストが伴う。リンク機構を簡素化する手法の一つに電磁石を利用した操作機構があり、例えば特許文献１に記載された真空接触器では電磁石を投入動作に使用し、投入と同時に蓄勢された遮断バネを解放して接点を開離する。また、特許文献２に記載された操作機構では、投入および遮断用の２個のコイルを貫通するプランジャを設けて、投入・遮断の両方の動作を電磁石で行っている。また、特許文献３では、永久磁石の吸引力を利用して投入状態を維持し、コイル電流で逆励磁することによって個別に設けた可動部材駆動用バネで遮断動作を行っている。この場合、コイルは投入用・遮断用の区別なく単一コイルで済む利点がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２３４４７５号公報
【特許文献２】特表平１０−５０５９４０号公報
【特許文献３】特開２０００−２４９０９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の永久磁石付き電磁石には下記の欠点があった。永久磁石には、希土類のサマリウム−コバルト系磁石とネオジウム系磁石，アルニコ系磁石，フェライト系磁石などが存在する。残留磁束密度が高く、かつコストが比較的安価なネオジウム系磁石を用いると、電磁石を小形で安価にできる。しかし、ネオジウム系磁石は保持力が１０００ｋＡ／ｍと大きく、着磁磁界は２０００ｋＡ／ｍ（磁束密度２.５Ｔ 相当）以上必要である。それゆえ、組み込まれた電磁石のコイルで永久磁石を着磁することは現実的に不可能で、着磁後の磁石を組み込まなければならない。
【０００５】
電磁石を開閉装置の操作機構に適用する場合、２０年以上の長期にわたる動作保証と、１万回以上の多数回動作を満足する必要がある。したがって、永久磁石を減磁させる要因をできるだけ排除しなければならない。特許文献３に記載される永久磁石付き電磁石では、永久磁石に直接、逆方向磁界を印加して遮断動作を行っている。永久磁石に逆エネルギーを繰り返し与えることによって、減磁、すなわち寿命が低下する危険性がある。
【０００６】
さらに、磁路内に永久磁石が存在すると、コイルから見た磁気抵抗は大きくなる。永久磁石の透磁率は空気と同程度であるため、動作開始時点ではストローク長に永久磁石の厚みを加えたギャップが存在することになってしまい、より大きなアンペアターンを必要とする。
【０００７】
また、永久磁石の厚さ、鉄心には製造段階で生ずる寸法誤差が避けられず、この寸法誤差により、永久磁石とこれに対向して進退する可動鉄心の間のストローク端でのギャップは変化する。そして、このギャップにより投入特性、遮断特性及び投入状態保持力（吸着力）が変化する。しかし、特性を安定させるために前記寸法誤差の許容値、すなわち公差を厳しく管理すると、安価な電磁石製作のネックとなる。
【０００８】
本発明は上記課題を解決する手段として考案したもので、その目的とするところは、永久磁石を直接逆励磁することなく、かつコイル電流が作る磁路中に永久磁石が存在しない長寿命で高効率な電磁石、およびこの電磁石を用いた開閉装置の操作機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち上記課題を解決する本発明は、可動鉄心１と、可動鉄心１を包囲して設けられたコイル３と、コイル３を包囲して設けられた固定鉄心２とを含んで構成され、前記固定鉄心２は、前記コイル３の下面側に設けられて中央部に前記コイルと同心の円形の開口を持つ第１の角形平板２ｆと、前記第１の角形平板２ｆに載置され前記コイル３を包囲して設けられた同心の鋼管２ｅと、前記鋼管２ｅの上端に載置されて中央部に前記コイル３と同心の円形の開口を持つ第２の角形平板２ｄとを含んで形成され、前記第２の角形平板２ｄの上面に永久磁石１２が固定配置され、前記可動鉄心１は、前記永久磁石１２に対向する磁性体を含んで形成され、前記固定鉄心２は、前記第１、第２の角形平板の４隅または対角線上の２隅の孔に挿通されたロッド１４とこのロッド１４に螺合するナットで前記鋼管２ｅを挟持して形成されている電磁石である。
【００１０】
上記電磁石において、前記第２の角形平板の上面に前記鋼管と同心に配置された円筒と、この円筒の上面に積み重ねられた第３の角形平板とを備え、前記ロッドは、さらに前記第３の角形平板の４隅または対角線上の２隅の孔に挿通され、前記円筒と第３の角形平板を併せて固定するようにしてもよい。
【００１１】
さらに、前記第２の角形平板の上面には永久磁石が配置され、前記可動鉄心は、前記永久磁石を挟んで前記第２の角形平板の上面に対向する面を備える円筒平板と、前記コイルの内周面に対向する円筒面を備えるプランジャ部材とで構成され、前記プランジャ部材の前記円筒平板側の端面と前記円筒平板の間に薄板の磁性部材が介装されている電磁石としてもよい。
【００１２】
上記の電磁石において、前記コイル３に順方向および逆方向に電流を選択的に流すことのできる電源回路を備え、順方向に電流を流した時に前記永久磁石１２が発生する磁界と同方向の磁界を発生させて吸引動作を行い、逆方向に電流を流した時に前記永久磁石１２が発生する磁界を打ち消して釈放動作を行う。
【００１３】
前記固定鉄心上部部材の内周面と前記プランジャ部材の円筒面との間隔ｇ１を、前記永久磁石の軸方向の厚さｔよりも小さくすることが望ましい。
【００１４】
前記永久磁石は、希土類のサマリウムーコバルト系磁石とネオジム系磁石、アルニコ系磁石、フェライト系磁石を含む永久磁石の内から選択されたものとすればよい。
【００１５】
さらに、本発明は、上記の電磁石と、接離自在な接点と、前記接点を開極するための遮断バネを備え、前記電磁石の前記コイル３に順方向および逆方向の電流を選択的に流すことができる電源回路を設け、順方向に電流を流した時に前記遮断バネを蓄勢しながら接点を投入し、前記永久磁石１２の吸引力によって投入状態を維持し、前記コイル３に逆方向の電流を流す時に前記永久磁石１２の作る磁束を打ち消して、前記遮断バネの力で遮断する開閉装置の操作機構である。
【００１６】
前記操作機構に用いる電磁石は、開閉装置の容量に応じて、同一のものを複数個組み合わせて用いるようにするのが望ましい。
【００１７】
すなわち、このように構成された電磁石であると、切動作時、前記コイルに逆方向に電流を流すことによりできる磁界が永久磁石を貫かないため、永久磁石を直接逆励磁することなく、かつコイル電流が作る磁路中に永久磁石が存在しないため、永久磁石を減磁する要因はなくなり、ネオジム系の永久磁石を使用することも可能であり、長寿命で効率の優れた電磁石を提供できる。
【００１８】
また、前記プランジャ部材の前記円筒平板側の端面と前記円筒平板の間に、磁性部材を介装することにより、この磁性部材の厚さを変えるか、この磁性部材を薄板材で構成し、薄板材の枚数を変えることで、永久磁石とそれに対向して進退する可動鉄心の、可動鉄心のストローク端におけるギャップを容易に調整できる。すなわち、部品の公差を厳しくしないでも特性を安定させることができ、安価で信頼性の高い電磁石を提供できる。さらに、この電磁石を開閉装置の操作機構を適用することによって、小型・安価でさらに信頼性の高い開閉装置を実現できるようになる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の電磁石およびそれを用いた開閉装置の操作機構によれば、永久磁石に逆励磁をかけないので、小型で安価で信頼性が高い製品を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の参考例及び実施例に関し、図１ないし図１６を用いて説明する。
【００２１】
（参考例１）
本発明の参考例１について図１ないし図５を用いて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の参考例１である電磁石１０の断面図である。電磁石１０は軸対称構造で、図の右半分に構造説明のための記号を付加し、左半分には永久磁石１２およびコイル３を流れる電流が作る磁界Ｂ（鎖線）を示した。
【００２３】
可動鉄心１は、コイル３の中心軸上を貫通するプランジャ５と、その端部に固定した円盤状の鋼板６で構成し、プランジャ５の端部に固定した非磁性の接続部材７によって負荷Ｗに接続する。負荷Ｗは、電磁石１０の吸引状態にて可動鉄心１を上方向へ駆動しようとする力を作用させる。固定鉄心２は、いずれも磁性体である鋼管２ａ，凸型鋼材２ｂ、およびリング状の鋼板２ｃで構成する。凸型鋼材２ｂおよびリング状の鋼板２ｃは、図示したように鋼管２ａの両端からねじ込む要領で取り付けてもよいし、あるいは溶接にて固定してもよい。また、鋼管２ａと凸型鋼材２ｂ、あるいは鋼管２ａとリング状の鋼板２ｃは円柱状の材料から切削して製作してもよい。ここで、鋼材２ｂは凸型形状としたが、勿論単純な平板でも構わない。ただし、プランジャ５の端面と固定鉄心２のギャップＸをコイル３の中央付近に設けると、漏れ磁束が低減することが分かっており、凸型鋼材を用いた方がよい。また、凸型鋼材２ｂは、一体物で製作してもよいし、あるいは２枚の鋼板を接続して構成してもよい。コイル３は、絶縁物あるいは非磁性体金属（アルミ，銅など）で製作されたボビン３ａと、巻線３ｂで構成する。
【００２４】
リング状の鋼板２ｃは、比較的深めに鋼管２ａにねじ込み、磁性体の突出部４を設けた形となっている。本参考例の電磁石１０は、プランジャ５の端面と凸型鋼材２ｂ，円盤状の鋼板６と突出部４がそれぞれ同方向に対向する構造となっている。プランジャ５の側面とリング状の鋼板２ｃ間の距離ｇは、可動鉄心のストローク長よりも短くした。この理由については後述する。また、プランジャ５の端面と凸型鋼材２ｂ間の距離Ｘは、円盤状の鋼板６と突出部４間の距離Ｌに比べて短くし、吸引動作完了時にはプランジャ５と凸型鋼材２ｂが接触する状態になる。
【００２５】
リング状の永久磁石１２は、プランジャ５，円盤状の鋼板６，突出部４、およびリング状の鋼板２ｃで囲まれた領域に配置し、リング状の鋼板２ｃ上に固定してある。符号１３は、例えばＳＵＳなどの非磁性体で製作した永久磁石１２の抑え金具であり、抑え金具１３は鋼管２ａにねじ込む要領で固定してある。抑え金具１３によって、永久磁石１２と突出部４の間に間隙を設けているが、これは、永久磁石１２の作る磁束が突出部４によって短絡するのを防止するためである。
【００２６】
本参考例の電磁石１０の動作について、図２ないし図５を用いて説明する。図２は吸引動作開始直後の状態、図３は吸引動作完了直前の状態、図４は吸引動作完了後の状態、および図５は釈放動作中の状態を表す。
【００２７】
外部の電源回路（図示せず）によってコイル３を通電すると、プランジャ５の端面に吸引力Ｆ０が働き、可動鉄心１は下方向に動作開始する。ここで、プランジャ５の側面とリング状の鋼板２ｃ間の距離ｇは、可動鉄心１のストローク長よりも短く設定しているため、コイル電流が作る磁界Ｂｃは経路Ｏ１を通る。ここで、磁界Ｂｃと永久磁石１２が発生する磁界Ｂｍの方向は、図２の矢印の向きになるように、コイル電流の方向と永久磁石１２の極性をあらかじめ設定しておく必要がある。なお、磁界Ｂｃと磁界Ｂｍの向きは、同時に逆方向になっていてもよい。
【００２８】
吸引力Ｆ０によって可動鉄心１が駆動されると、やがて図３に示す状態になる。可動鉄心１の移動に伴って、円盤状の鋼板６と突出部４間の距離Ｌが減少し、プランジャ５とリング状の鋼板２ｃ間の距離ｇよりも短くなる(ｇ＞Ｌ)。それゆえ、コイル電流による磁界Ｂｃは経路Ｏ２に分流し始め、動作完了時にはそのほとんどが経路Ｏ２を流れる。すなわち、可動鉄心１の移動に伴い、プランジャ５端面に働く吸引力Ｆ０に加えて、円盤状の鋼板６と突出部４間にも吸引力Ｆ１が作用する。なお、吸引動作完了直前の状態では、永久磁石１２の磁界Ｂｍが経路Ｏ３を通るため、吸引力Ｆ０は更に大きくなる。
【００２９】
可動鉄心１の動作が完了した後、コイル３の電流を切ると、永久磁石１２の吸引力によって吸引状態が保持される。吸引動作完了後も円盤状の鋼板６と突出部４間にはギャップが存在するため、永久磁石１２のつくる磁場Ｂｍは経路Ｏ３を通る。吸引力Ｆ０により、可動鉄心１と固定鉄心２の吸着状態が維持される。
【００３０】
釈放動作について図５を用いて説明する。釈放動作は、吸引動作時と逆向きの電流をコイル３に通電して行う。コイル電流が作る磁界Ｂｃは経路Ｏ２を流れ、永久磁石１２の作る磁界Ｂｍを打ち消す。プランジャ５の端面に作用する吸引力Ｆ０が低減し、負荷力によって可動鉄心１は上向きに移動する。ただし、磁界Ｂｃによって、円盤状の鋼板６と突出部４間に吸引力Ｆｒが同時に働くため、過大な電流をコイル３に通電すると再び吸引動作する可能性がある。負荷力とのバランスによってコイル電流を制限し、かつ釈放動作完了後は即時にコイル電流を遮断する手段を設ける必要がある。
【００３１】
次に、本参考例の効果について説明する。従来の永久磁石付き電磁石は、コイル電流が作る磁路中に永久磁石１２が存在するため、釈放動作時には直接永久磁石１２を逆励磁していた。繰り返し動作によって永久磁石１２に逆エネルギーを与え続けると、減磁する危険性がある。本参考例の電磁石では、永久磁石１２を可動鉄心１および固定鉄心２で囲まれた空隙に配置、すなわち磁気シールドされた領域に配置したため、コイル電流の作る磁界Ｂｃが直接永久磁石１２に作用することはない。釈放動作においても永久磁石１２に逆エネルギーを与えることはない。減磁の危険性が回避され、長寿命で信頼性の高い電磁石となる。
【００３２】
また、永久磁石１２の透磁率は空気とほぼ同じで、コイル電流が作る磁路中に永久磁石１２が存在すると、コイルからみた磁気抵抗が大きくなる。動作開始時には、ストロークに永久磁石１２の厚みを加えた分のギャップが存在することになり、動作に必要なアンペアターンが増加する。本実施例の電磁石１０では、永久磁石はコイル電流が作る磁路中に存在しないため、磁気抵抗が小さく効率がよい。
【００３３】
（参考例２）
本発明の参考例２について図６および図７を用いて説明する。
【００３４】
図６は本発明の参考例２である電磁石１０の断面図である。可動鉄心１は、コイル３の中心軸上を貫通するプランジャ５と、その端部に固定した円盤状の鋼板６で構成し、プランジャ５の端部に固定した非磁性の接続部材７によって負荷と接続する。固定鉄心２は、いずれも磁性体である鋼管２ａ，凸型鋼材２ｂ、およびリング状の鋼板２ｃで構成する。凸型鋼材２ｂおよびリング状の鋼板２ｃは、図示したように鋼管２ａの両端からねじ込む要領で取り付けてもよいし、あるいは溶接にて固定してもよい。凸型鋼材２ｂは、一体物で製作してもよいし、あるいは２枚の鋼板を接続して構成してもよい。コイル３は、絶縁物あるいは非磁性体金属（アルミ，銅など）で製作されたボビン３ａと、巻線３ｂで構成する。
【００３５】
リング状の永久磁石１２は、リング状の鋼板２ｃ上に固定する。符号１５は、例えばＳＵＳなどの非磁性部材で製作した管であり、永久磁石１２を挟持した状態にて鋼管２ａに固定する。管１５には大きな力がかからないので、ネジ１６などで固定すればよい。管１５を非磁性部材で製作するのは、永久磁石１２の磁界が管１５で短絡するのを回避するためである。また、管１５の端部には非磁性部材で製作したふた１７が取り付けてあり、可動鉄心１に固定したロッド８が貫通する。ふた１７，凸型鋼材２ｂ，接続部材７、およびロッド８によって可動鉄心１の軸ずれを防止する。
【００３６】
プランジャ５の端面と凸型鋼材２ｂ間の距離Ｘは、円盤状の鋼板６と永久磁石１２間の距離Ｌに比べて短くしてあり、円盤状の鋼板６が衝突して永久磁石１２が破壊するのを回避する。
【００３７】
本参考例の電磁石１０の動作について、図６ないし図９を用いて説明する。図６ないし図９は、電磁石１０の断面を示し、右半分に構造を説明するための符号、左半分には磁界の様子を付加してある。
【００３８】
図６は、吸引動作開始直後の状態を示す。プランジャ５の端面と凸型鋼材２ｂ間の距離Ｘ，円盤状の鋼板６と永久磁石１２の距離Ｌはともに、永久磁石１２とプランジャ５間の距離ｇより長く、永久磁石１２の作る磁界Ｂｍは、図６に示すように永久磁石１２の周辺にしか及ばない。それゆえ、可動鉄心１には働く駆動力は非常に弱い。外部の電源回路（図示せず）からコイル３を通電すると、コイル電流による磁界Ｂｃにより、プランジャ５の端面に吸引力Ｆ０が働き、可動鉄心１は下方向に動作開始する。ここで、プランジャ５の側面とリング状の鋼板２ｃ間の距離ｇは、可動鉄心１のストローク長よりも短く設定しているため、コイル電流が作る磁束Ｂｃは経路Ｏ４を通る。コイル電流による磁界Ｂｃと永久磁石１２の磁界Ｂｍの方向が図６に示す矢印の向きになるように、コイル電流の方向と永久磁石１２の極性方向をあらかじめ設定しておく必要がある。なお、磁界Ｂｃと磁界Ｂｍの向きが同時に逆になっていてもよい。
【００３９】
吸引力Ｆ０によって可動鉄心１が駆動されると、やがて図７に示す状態になる。可動鉄心１の移動に伴って、円盤状の鋼板６と永久磁石１２間の距離Ｌが減少し、プランジャ５とリング状の鋼板２ｃ間の距離ｇよりも短くなるため（ｇ＞Ｌ）、永久磁石１２の磁界Ｂｍは経路Ｏ５を通る。すなわち、可動鉄心１の移動が進むにつれて、プランジャ５の端面に作用する吸引力Ｆ０とともに、円盤状の鋼板６と永久磁石１２間にも吸引力Ｆ１が働く。また、永久磁石１２の磁界Ｂｍがプランジャ５と凸型鋼材２ｂの対向面を通るため、吸引力Ｆ０も更に大きくなる。
【００４０】
可動鉄心１の動作が完了した後、コイル３の励磁をとくと、永久磁石１２の磁束Ｂｍにより吸引力Ｆ０および吸引力Ｆ１が働き、この状態が保持される。
【００４１】
一方、釈放動作は、図８に示すように、吸引動作時と逆向きの電流をコイル３に通電して行う。コイル電流が作る磁界Ｂｃは経路Ｏ６を流れ、永久磁石１２の作る磁界Ｂｍを打ち消す。吸引力Ｆ０は低減し、負荷力によって可動鉄心１は上向きに移動する。
【００４２】
本参考例の効果について説明する。参考例１の電磁石と同様に、コイル電流の作る磁界Ｂｃが直接永久磁石１２に作用せず、釈放動作時も逆エネルギーを与えることはない。それゆえ、永久磁石減磁の危険性が回避され、長寿命で信頼性の高い電磁石となる。また、永久磁石１２の透磁率は空気とほぼ同じで、コイル電流が作る磁路中に永久磁石１２が存在すると、コイルからみた磁気抵抗が大きくなる。動作開始時には、ストロークに永久磁石１２の厚みを加えた分のギャップが存在することになり、必要なアンペアターンが増加する。本実施例の電磁石１０では、永久磁石はコイル電流が作る磁路中に存在しないため、磁気抵抗が小さく効率がよい。
【００４３】
さらに、本参考例の電磁石は、下記の効果を有する。釈放動作において、参考例１の電磁石は、コイル電流が作る磁界Ｂｍによって、円盤状の鋼板６と磁性体突出部４間に吸引力Ｆ１が作用するため、過大な電流をコイル３に通電すると再び吸引動作する可能性があった。それゆえ、負荷力とのバランスによってコイル電流を制限し、かつ釈放動作完了後は即時にコイル電流を遮断する手段を設ける必要があった。しかし、本参考例の電磁石ではコイル電流による磁界Ｂｃで吸引力を発生する部分はなく、再び吸引動作することはない。それゆえ、負荷力とのバランスによってコイル電流を制限したり、かつ釈放動作完了後に即時にコイル電流を遮断する手段を設ける必要はない。
【００４４】
（実施例１）
本発明の実施例１について図９（入状態）および図１０（切状態）を用いて説明する。図９、図１０は本発明の実施例である電磁石１０の断面図であり、図９が、開閉装置に結合したとき開閉装置が入状態のときの電磁石を示し、図１０が、開閉装置に結合したとき開閉装置が切状態のときの電磁石を示す。以下の説明における入状態、切状態は、いずれも、電磁石を開閉装置に結合したとき、開閉装置が入状態あるいは切状態のときの電磁石の状態をいう。
【００４５】
コイル３は、絶縁物あるいは非磁性体金属（アルミ、銅など）で製作されたボビン３ａと、巻線３ｂからなっている。
【００４６】
図示の電磁石１０は、コイル３と、前記コイル３の中心軸上を移動する磁性体からなる可動鉄心と、前記コイル３の軸方向両端面及び外周面を覆うように設けた磁性体からなる固定鉄心と、前記コイル３に順方向及び逆方向に電流を流すことのできる図示されていない電源と、を含んで構成されている。前記コイル３に順方向に通電したとき前記可動鉄心を前記固定鉄心に向かう方向、すなわち、図上、右から左に向かって移動させるようになっている。なお、以下の説明では、便宜上、図９の向かって右側を上側、左側を下側として方向を示す。
【００４７】
前記固定鉄心は、前記コイル３の軸方向の一方の端面を覆うように設けられ、中央部に前記コイル３と同心の円形の開口を持つ固定鉄心上部部材である第２の角形平板２ｄと、前記コイルの軸方向の他方の端面を覆うように設けられ中央部に前記コイル３と同心の円形の開口を持つ固定鉄心下部部材である第１の角形平板２ｆと、前記第２の角形平板２ｄと第１の角形平板２ｆの間に挟持され、前記コイル３の外周面を覆う鋼管２ｅと、前記第１の角形平板２ｆの上面に、前記鋼管２ｅと同心に配置された円筒２ｇ、とを含んで構成されている。第２の角形平板２ｄ、第１の角形平板２ｆ、鋼管２ｅ、及び円筒２ｇは全て磁性体であり、第１の角形平板２ｆと円筒２ｇは、ねじ等で固定されるか、一体に溶接されている。もちろん、一つの材料から削り出したものであってもよい。
【００４８】
前記第２の角形平板２ｄの上面には中心に開口を設けた円板状の永久磁石１２が吸着、配置され、接着剤により固定されている。永久磁石１２は、ネオジム系、サマリウム系、アルニコ系、ネオジムボンド系、フェライト系のいずれの材質であってもよい。また、図示の永久磁石１２は、１個の円環状の磁石であるが、必ずしも連続した円環状をなしている必要はなく、四角形、円形など異なる平面形状のものを、分散して第２の角形平板２ｄの上面に配置してもよい。但しこの場合も、後述する円筒平板６ａに対向する面の面積が、所要の吸着力を発揮できる面積になるようにする必要がある。
【００４９】
前記可動鉄心は、前記第２の角形平板２ｄの前記開口、第１の角形平板２ｆの前記開口、鋼管２ｅ、及び円筒２ｇの各中心を挿通する非磁性のロッド１９と、このロッド１９に嵌め込まれて固着された円柱状の磁性体であるプランジャ５と、このプランジャ５の上側に磁性部材である薄板２１を介して配置され、前記ロッド１９に固着された磁性体である円筒平板６ａと、を含んで構成されている。円筒平板６ａの下面は、前記永久磁石１２を挟んで前記角形平板２ｄの上面に対向しており、前記プランジャ５の外周面は、前記コイル３の内周面に対向している。つまり、前記プランジャ５の外径は、前記コイル３の内径、永久磁石１２の中央の開口の径、及び角形平板２ｄの中央の開口の径のいずれよりも小さく、それらの内部を軸方向に移動可能になっているが、円筒平板６ａの外径は、永久磁石１２の中央の開口の径よりも大きく、円筒平板６ａは、永久磁石１２の中央の開口を通過できないようになっている。また、プランジャ５と円筒平板６ａは、ロッド１９に、ねじ込みまたは止め具で固着されている。
【００５０】
また、永久磁石１２の中央の開口と、第２の角形平板２ｄの中央の開口は同心、同径としてあり、永久磁石１２の軸方向の厚さｔは、第２の角形平板２ｄの中央の開口内周面と前記プランジャ５の外周面との間隔ｇ１よりも大きくしてある。
【００５１】
前記円筒２ｇの外径はコイル３の内径よりも小さく、前記プランジャ５の外径と同じにしてある。また、円筒２ｇの内径は、前記ロッド１９が自由に通過できる大きさにしてある。つまり、プランジャ５の下面は、円筒２ｇの上面に対向しており、可動鉄心が軸方向左側に動くとき、その移動の限界は、プランジャ５の下面と円筒２ｇの上面が当接する点で決まる。
【００５２】
前記永久磁石１２の上側には、非磁性体（本実施例ではステンレス鋼を用いた）の管１５ａがコイル３と同心に配置され、管１５ａを永久磁石１２との間でサンドイッチ状に挟持する第３の角形平板１８が配置される。第３の角形平板１８は磁性体でも非磁性体でもよい。第１の角形平板２ｆ，第２の角形平板２ｄ，第３の角形平板１８の４隅または対角線上の２隅には、両端にねじを切った非磁性体であるロッド１４が通るように孔を開けてあり、ロッド１４の両端をナットで締めつけることによって全体を固定してある。
【００５３】
第３の角形平板１８、第１の角形平板２ｆには、コイル３と同心に前記ロッド１９が通る孔が形成され、この孔の部分にベアリングまたはドライベアリングを設けて前記ロッド１９が摺動するときの摩擦を低下させ、省メンテナンスを実現している。
【００５４】
図９の入状態は、永久磁石１２の吸引力（磁束φ１により生成）によって保持される。つまり、入状態は永久磁石１２の吸引力で、プランジャ５の下面と円筒２ｇの上面の間の空隙ｇ３が０の状態、すなわち、プランジャ５の下面が円筒２ｇの上面に当接した状態が保持される。プランジャ５の下面が円筒２ｇの上面に直接当接するのではなく、この間に薄い非磁性体を挟んでもよい。
【００５５】
電磁石組立て時、同一厚みの複数の薄板２１を用意しておき、プランジャ５と円筒平板６ａの間に挟む前記薄板２１の枚数を変えることにより、図９の状態で、永久磁石１２と円筒平板６ａの間に所望の大きさの空隙ｇ２が形成されるようにしてある。空隙ｇ２を作る理由は、入動作時、永久磁石１２に直接円筒平板６ａが衝突すると、永久磁石１２が減磁し、永久磁石１２の寿命が短くなるからである。
【００５６】
さらに、前記薄板２１の枚数を変えて、入状態での空隙ｇ２をできるだけ０に近づけることによって、磁気抵抗を小さくし、吸引力を大きくすることができる。この結果、永久磁石の厚さを薄くする、あるいは第２の角形平板２ｄに吸着する表面積を小さくすることで永久磁石１２の体積を減らしても、従来の吸引力を確保できる。したがって、体積に大きく依存する永久磁石のコストが低減され、小型で安価な電磁石を得ることができる。また、薄板２１の枚数を変えることで、入状態での空隙ｇ２の値を所望の一定値に近づけることができるので、入状態での永久磁石の吸引力、及び入切動作特性を安定させることができ、電磁石の信頼性を向上させることができる。
【００５７】
なお、同一厚みの薄板を複数枚用いて空隙の値を調整する代わりに、少しずつ厚さの異なる多種の厚さの板を用意しておき、その中の適切な厚さのものを1枚、あるいは異なる厚さのものを組み合わせて、前記空隙の値を調整するようにしてもよい。
【００５８】
次に図１１（入動作時）、図１２（切動作時）を用いて、入切動作について説明する。
【００５９】
図１１に示す入動作時、図示されていない電源から、コイル３に、永久磁石１２が作る磁界と同方向の磁界を作るように電流を流す（順方向の電流）。コイル電流及び永久磁石１２により、それぞれ図１１に示す磁束φ２、φ１が生じ、円筒平板６ａを、図上左側に動かす吸引力、すなわち可動鉄心を固定鉄心に吸引する力が発生する。この吸引力は、プランジャ５と円筒２ｇの間の空隙、及び円筒平板６ａと永久磁石１２の間の空隙の双方で発生する。円筒平板６ａと永久磁石１２の間の空隙に発生する力をＦ１，プランジャ５と円筒２ｇの間の空隙に発生する力をＦ２とする。入動作時のＦ２は、磁束φ２と磁束φ１が合成された磁束によって生じる力である。
【００６０】
図１２に示す切動作時、前記図示されていない電源から、コイル３に、入動作時と逆方向の電流を流す。入状態保持時には、永久磁石が形成する磁束φ１により円筒平板６ａと永久磁石１２の間の空隙に発生する力Ｆ１と、磁束φ１によりプランジャ５と円筒２ｇの間の空隙に発生する力Ｆ２ａの和が、図示されていない遮断ばねによってロッド１９に図上右方向に加えられる力Ｆ０よりも大きくなっている。つまり、永久磁石１２の力が、遮断ばねの力に打ち勝って、入状態が保持されている。この状態で、前記逆方向の電流がコイル３に流されると、この電流により磁束φ１と逆方向の磁束φ５が形成され、この磁束φ５により、前記永久磁石１２の磁束φ１が弱められる。この弱められた磁束（あるいは磁束φ１と逆方向の磁束）によりプランジャ５と円筒２ｇの間の空隙に力Ｆ２ｂが発生する。Ｆ２ａ＞Ｆ２ｂであるから、可動鉄心に作用する図上左向きの力が小さくなり、Ｆ０＞（Ｆ１＋Ｆ２ｂ）となって、切動作が開始される。
【００６１】
このとき、永久磁石１２の厚さｔは、第２の角形平板２ｄの中央の開口内周面と前記プランジャ５の外周面との間隔ｇ１よりも大きくしてあるから、逆電流により形成される磁束φ５は、図１２に示すように、永久磁石１２を通過しない。これは、永久磁石１２の透磁率が空気と同程度であるため、逆電流による磁束φ５は磁気抵抗の小さい、図１２に示す磁路を取るためである。永久磁石に逆励磁を掛け続けると減磁する可能性があるが、本実施例の電磁石では、永久磁石に逆励磁がかかることがないので、減磁の生じる可能性が低下し、長寿命で信頼性の高い電磁石が得られる。
【００６２】
（実施例２）
本発明の実施例２について図１３および図１４を用いて説明する。
【００６３】
本実施例は、参考例１〜２、実施例１記載の電磁石１０を開閉装置の操作機構に適用したものである。図１３は、参考例２記載の電磁石１０を適用した三相真空遮断器２０の側断面図である。ここでは真空遮断器を例に説明するが、ガス遮断器などの他の開閉装置に本発明の電磁石１０を適用することも可能である。また、参考例２記載の電磁石１０を適用した例について述べるが、参考例１あるいは実施例１記載の電磁石も同様に適用可能である。
【００６４】
真空遮断器２０は、真空バルブ３０，操作機構部４０，絶縁架台３１、および制御回路５１・電磁石１０を収納する操作スペース５０で構成される。真空バルブ３０は紙面奥行き方向に３相分並んだ状態で設置してある。３つの真空バルブ３０は、操作機構部４０内のシャフト４１で連結してあり、単一の電磁石１０で駆動する。
【００６５】
真空バルブ３０は、上下の端板３２および絶縁筒３３からなる真空容器によって、その内部を真空状態に保つ。真空バルブ３０内に固定接点３７と可動接点３８を配置し、その接離によって投入および遮断を実現する。固定接点３７は、固定導体３５に固定してあり、固定側フィーダ３９と電気的に接続する。一方、可動接点３８は、可動導体３６に固定し、フレキシブル導体６１を介して可動側フィーダ６２に接続する。ベローズ３４は、その両端を可動導体３６および端板３２に接続する。ベローズ３４によって真空状態を維持したまま、固定接点３７と可動接点３８の接離が可能になる。
【００６６】
真空バルブ３０と電磁石１０はともにシャフト４１に連結しており、電磁石１０の発生する駆動力を可動導体３６に作用させる。可動導体３６は、絶縁ロッド６３によって操作機構と電気的に絶縁され、シャフト４１に固定したレバー４２に連結される。電磁石１０の可動鉄心１は、接続部材９によってレバー４４と連結する。
【００６７】
投入動作では、接圧バネ４３と遮断バネ４５の蓄勢を同時に行わなければならない。接圧バネ４３は投入時の接点に接触圧力を与えるためのバネであり、遮断バネ４５は遮断動作を行うためのバネである。
【００６８】
接圧バネ４３は絶縁ロッド６３内に収納されている。接圧バネ４３周辺の構造を図１４に示す。接圧バネ４３は、絶縁ロッド６３にモールドした接圧バネホルダ４３ａ内に収納してある。可動導体３６は接続部材４３ｂに固定し、接続部材４３ｂはピン４３ｃによって接圧バネホルダ４３ａと連結する。接続部材４３ｂにはピン４３ｃの外径よりやや大きめの穴が、接圧バネホルダ４３ａには楕円穴４３ｄが設けてある。投入動作において、固定接点３７と可動接点３８が接触すると、ピン４３ｃが楕円穴４３ｄ内を移動し始め（図中下向き）、投入動作が完了するまで接圧バネ４３を圧縮しつづける。一方、遮断バネ４５は、操作機構部４０の天板４６と接続部材９に固定された板４７とで挟持される。遮断バネ４５は、投入動作中、常に圧縮されつづける。
【００６９】
開閉装置の動作について説明する。コイル３を通電し、図７に示す磁界Ｂｃを発生させると、可動鉄心１は吸引力Ｆ０によって下向きに駆動され、それに伴って可動導体３６が上向きに移動し、接点が投入される。投入動作完了後にコイル３の電流を遮断しても、永久磁石１２の吸引力によってこの状態は保持される。遮断動作では、投入動作のときと逆向きの電流をコイル３に通電すると、図８に示したように永久磁石１２の磁界Ｂｍを打ち消して吸引力Ｆ０が低減するため、遮断バネ４５の力によって可動導体３６は下向きに駆動される。
【００７０】
次に、本実施例の効果について説明する。参考例１、２及び実施例１の電磁石１０のいずれかを開閉装置に適用することによって、投入状態の保持に使う永久磁石１２が減磁することなく、２０年の長期保証、１万回以上の多数回動作を満足できるようになる。すなわち、長寿命で信頼性の高い開閉装置を提供できる。
【００７１】
上記実施例２では、開閉装置を駆動するのに1個の電磁石を用いた例を示したが、容量の大きな、つまり開閉動作に大きな力が要求される遮断器に対しては、負荷の大きさに相応した力を出せるように、複数の電磁石を用いる。この場合、基準形となる寸法の電磁石を設定しておき、基準形の電磁石を複数組み合わせて所要の開閉操作力を出せるようにすればよい。
【００７２】
図１５、図１６に、それぞれ４個の電磁石を用いた遮断器の例を示す。図１５、図１６はいずれも、前記図１３における操作機構部４０の天板４６、絶縁架台３１、制御回路５１、固定側フィーダ３９、可動側フィーダ６２などを取り除いた状態での平面図に相当し、シャフト４１への電磁石の取りつけ方法を示している。
【００７３】
図１５に示す例は、３相の電路の各相に対応する真空バルブ３０ａ，３０ｂ，３０ｃがシャフト４１に、それぞれレバー４２ａ，４２ｂ，４２ｃで結合され、同型、同仕様の電磁石１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが、それぞれレバー４４ａ，４４ｂ，４４ｃ、４４ｄでシャフト４１に結合されている。つまり、４個の電磁石がそれぞれ個別にシャフト４１に駆動力を作用させる構成である。
【００７４】
図１６に示す例は、真空バルブ３０ａ，３０ｂ，３０ｃをシャフト４１に結合する方法は前記図１５に示す例と同じであるが、電磁石をシャフト４１に結合する方法が前記図１５に示す例と異なる。図１６においては、シャフト４１の両端にレバー４４ａ，４４ｂが結合され、レバー４４ａ，４４ｂを連結する連結棒５２が、レバー４４ａ，４４ｂの各端部に枢着されている。同型、同仕様の電磁石１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、それぞれ前記連結棒５２に結合され、連結棒５２、レバー４４ａ、４４ｂを介してシャフト４１に駆動力を作用させる構成である。
【００７５】
いずれも、使用する複数の電磁石を、同型、同仕様の電磁石とすることによって、簡易な構成で複数の電磁石による開閉操作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の参考例１である電磁石の断面図を示す。
【図２】本発明の参考例１である電磁石の吸引動作開始直後の状態を示す。
【図３】本発明の参考例１である電磁石の吸引動作完了直前の状態を示す。
【図４】本発明の参考例１である電磁石の吸引動作完了の状態を示す。
【図５】本発明の参考例１である電磁石の釈放動作中の状態を示す。
【図６】本発明の参考例２である電磁石の吸引動作開始直後の状態を示す。
【図７】本発明の参考例２である電磁石の吸引動作完了直前の状態を示す。
【図８】本発明の参考例２である電磁石の釈放動作中の状態を示す。
【図９】本発明の実施例１である電磁石の入状態を示す。
【図１０】本発明の実施例１である電磁石の切状態を示す。
【図１１】本発明の実施例１である電磁石の入動作中の状態を示す。
【図１２】本発明の実施例１である電磁石の切動作中の状態を示す。
【図１３】本発明の電磁石を適用した真空遮断器の構造を示す。
【図１４】本発明の真空遮断器における接圧バネ４３周辺部の構造を表す。
【図１５】本発明の電磁石を複数個用いる真空遮断器の、電磁石の結合方式の例を示す。
【図１６】本発明の電磁石を複数個用いる真空遮断器の、電磁石の結合方式の他の例を示す。
【符号の説明】
【００７７】
１  可動鉄心
２  固定鉄心
２ａ，２ｅ  鋼管
２ｂ  凸型鋼材
２ｃ  リング状の鋼板
２ｄ  第２の角形平板
２ｆ  第１の角形平板
２ｇ  円筒
３  コイル
４  突出部
５  プランジャ
６  円盤状の鋼板
６ａ  円筒平板
７  接続部材
１０  電磁石
１５，１５ａ  管
１８  第３の角形平板
２０  真空遮断器
２１  薄板
３０  真空バルブ
４３  接圧バネ
４５  遮断バネ
Ｆ  吸引力
ｇ  距離
Ｌ  距離
Ｏ  磁界の経路
Ｗ  負荷
Φ  磁界
【図１】
2006222438.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006222438.tif 000006
【図５】
2006222438.tif 000007
【図６】
2006222438.tif 000008
【図７】
2006222438.tif 000009
【図８】
2006222438.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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