(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向の中間部を内側に突出させた磁路を形成するためのヨークと、
前記ヨーク内を移動するように設けられたアーマチュアと、
前記ヨークの中間部を境として一方に配置された磁束を発生させる閉路コイルおよび開路コイルと、
前記ヨークの中間部を境として他方に配置された前記アーマチュアを移動もしくは保持させておく永久磁石と、
前記ヨークを貫き前記アーマチュアに固定された操作ロッドとを備え、
前記ヨークが前記操作ロッドの軸方向と直交する断面積よりも、前記ヨークの中間部が前記操作ロッドの軸方向と平行する断面積を大きくしたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
【請求項２】
前記永久磁石と前記ヨーク間のギャップ長よりも前記永久磁石と前記アーマチュア間のギャップ長を短くしたことを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空バルブなどを開閉操作する操作機構に用いられる電磁アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の真空遮断器および真空開閉器などの開閉器の操作機構においては、開路、閉路操作を行うために、必要な操作力を発生させる電磁アクチュエータを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この種の開閉器は、図７に示すように、図示上段から電流を遮断する遮断部１ａ、遮断部１ａの閉路時に接触荷重を加えるワイプバネ部１ｂ、および図示最下段に遮断部１ａを開閉操作する操作機構部１ｃが配置され構成されている。なお、図７において、図示右に閉路状態、図示左に開路状態を示している。
【０００４】
遮断部１ａには、真空絶縁容器２内に接離自在の一対の接点３、４を有する三相分の真空バルブ５が設けられている。三相分の真空バルブ５の固定側は、上部固定部材６にそれぞれ固定されている。また、真空バルブ５の可動側には、軸方向に移動自在の絶縁操作ロッド７が連結されている。
【０００５】
ワイプバネ部１ｂには、絶縁操作ロッド７に連結されたワイプバネ８を収納したワイプバネフォルダ９が設けられている。ワイプバネ８により、一対の接点３、４の接触時に接触荷重が加わるようになっている。また、三相分のワイプバネフォルダ９は、それぞれ連結部材１０に連結されている。
【０００６】
操作機構部１ｃには、開閉操作時の操作力を発生させる電磁アクチュエータ１１が設けられている。電磁アクチュエータ１１は、磁路を形成するためのヨーク１２、ヨーク１２内を移動するように設けられた磁性体のアーマチュア１３、アーマチュア１３を移動もしくは閉路保持をする永久磁石１４、永久磁石１４の外周に配置された閉路コイル１５、閉路コイル１５の図示下方に配置された開路コイル１６、アーマチュア１３に固定されヨーク１２を貫き、連絡部材１０に連結された非磁性体の操作ロッド１７、およびヨーク１２の図示下部の開口部を塞ぐ非磁性体のストッパープレート１８から構成されている。
【０００７】
ここで、ヨーク１２内面の中間部には、突出した環状の突出部１２ａが設けられ、この突出部１２ａと永久磁石１４間に閉路コイル１５と開路コイル１６とが配置されている。また、アーマチュア１３がストッパープレート１８と対向する端部には、鍔状に突出した鍔部１３ａが設けられ、この鍔部１３ａが突出部１２ａとストッパープレート１８間を移動するようになっている。このような電磁アクチュエータ１１は、下部固定部材１９に固定されている。また、下部固定部材１９内の操作ロッド１７端には、操作ロッド１７を開路方向に移動するように付勢した開路バネ２０が設けられている。
【０００８】
そして、閉路状態にする場合には、閉路コイル１５を励磁して、ヨーク１２内に磁束を発生させる。すると、図示実線で示すように、閉路コイル１５と開路コイル１６とを囲むように、永久磁石１４→ヨーク１２→突出部１２ａ→アーマチュア１３を通る磁気回路が形成される。また、永久磁石１４によっても点線で示すように、同様の磁気回路が形成される。これらの磁気回路での磁力により、開路バネ２０のバネ力に打ち勝ってアーマチュア１３が図示上方の閉路方向に移動する。同時に、操作ロッド１７が図示上方に移動し、接点３、４間が接触する。接点３、４間が接触すると、ワイプバネ８により接触荷重を加え、閉路コイル１５を無励磁にし、永久磁石１４の吸引力で閉路状態を保持する。
【０００９】
開路状態にする場合には、開路コイル１６を励磁して、永久磁石１４の磁力に打ち勝ってアーマチュア１３を図示下方に移動させ、接点３、４間を開離させる。開路後には、開路コイル１６を無励磁にして、開路バネ２０のバネ力により開路状態を保持する。
【００１０】
ここで、閉路状態にする場合において、ヨーク１２内の磁束は、閉路コイル１５と永久磁石１４とで形成されるものが同一方向となる。このため、閉路コイル１５励磁時に、ヨーク１２内で磁気飽和が起こり、アーマチュア１３を充分な磁力で移動させることが困難となる。即ち、閉路コイル１５で発生させた磁束がアーマチュア１３内に伝わり難く、電磁アクチュエータ１１の効率が低くなる問題があった。
【００１１】
一方、ヨーク内の中間部に永久磁石を配置し、この永久磁石の両側に閉路コイルと開路コイルとを配置した電磁アクチュエータが知られている。このような電磁アクチュエータにおいても、永久磁石と閉路コイルとの磁束が同一方向に形成されるので、閉路コイルを励磁したときにヨーク内で磁気飽和が起こり易く、電磁アクチュエータの効率が低くなる問題がある（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００２−２７０４２３号公報  （第４ページ、図１）
【特許文献２】特開２００４−１４６３３６号公報  （第６ページ、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の従来の電磁アクチュエータ１１においては、閉路時にヨーク１２内で磁気飽和が起こり、アーマチュア１３を充分な磁力で移動させることが困難となり、閉路時の効率が低下する問題がある。
【００１３】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、閉路時の効率を向上し得る電磁アクチュエータ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】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の電磁アクチュエータは、軸方向の中間部を内側に突出させた磁路を形成するためのヨークと、前記ヨーク内を移動するように設けられたアーマチュアと、前記ヨークの中間部を境として一方に配置された磁束を発生させる閉路コイルおよび開路コイルと、前記ヨークの中間部を境として他方に配置された前記アーマチュアを移動もしくは保持させておく永久磁石と、前記ヨークを貫き前記アーマチュアに固定された操作ロッドとを備え、前記ヨークが前記操作ロッドの軸方向と直交する断面積よりも、前記ヨークの中間部が前記操作ロッドの軸方向と平行する断面積を大きくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、磁路を形成するヨークの軸方向の中間部を境として、一方に閉路コイル、他方に永久磁石を配置して閉路コイルを励磁したとき、磁気抵抗の小さい閉路コイルを囲むような磁気回路と、永久磁石を通る磁気回路とが形成されるようにしているので、それぞれの磁気回路で充分な磁力を発生させることができ、電磁アクチュエータの閉路時の効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１７】
先ず、本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータを図１乃至図５を参照して説明する。図１は、本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図、図２は、本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータ閉路時に閉路コイルで形成される磁気回路を説明する図、図３は、本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータ閉路時に永久磁石で形成される磁気回路を説明する図、図４は、本発明の実施例１に係るアーマチュア移動時に永久磁石で形成される磁気回路の詳細を説明する図、図５は、本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータ閉路時の磁力を説明する図である。なお、各図において、従来と同様の構成部分については、同一符号を付した。また、電磁アクチュエータを用いる開閉器の構成は、従来と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００１８】
図１に示すように、電磁アクチュエータ１１における磁路を形成するためのヨーク３０は、図示上方で遮断部１ａ側の第１のヨーク３０ａと、中間部の第２のヨーク３０ｂと、図示下方でストッパープレート１８側（反遮断部側）の第３のヨーク３０ｃとが軸方向に連接して構成されている。第１のヨーク３０ａの内側には、閉路コイル１５および開路コイル１６が配置されている。また、第３のヨーク３０ｃの内側には、永久磁石１４および第３のヨーク３０ｃに連接された第４のヨーク３０ｄが配置されている。なお、第４のヨーク３０ｄ部分は、全てが永久磁石１４であってもよい。
【００１９】
第２のヨーク３０ｂは、第１のヨーク３０ａ、第３のヨーク３０ｃよりも内側に突出し、その突出した面がヨーク３０内を移動するように設けられたアーマチュア１３の側面と対向している。これにより、第２のヨーク３０ｂを境として、軸方向の一方側に閉路コイル１５および開路コイル１６、他方側に永久磁石１４が配置される。
【００２０】
また、アーマチュア１３に固定された非磁性体の操作ロッド１７がヨーク３０を貫いて設けられている。アーマチュア１３がストッパープレート１８と対向する端部には、鍔状に突出した鍔部１３ａが設けられ、この鍔部１３ａが第４のヨーク３０ｄとストッパープレート１８間を移動できるようになっている。
【００２１】
ここで、第１のヨーク３０ａが操作ロッド１７の軸方向と直交する断面積をｓ１とし、第２のヨーク３０ｂが操作ロッド１７の軸方向と平行する断面積をｓ２とすると、ｓ２＞ｓ１としている。第３のヨーク３０ｃの断面積も第１のヨーク３０ａと同様にしてもよい。また、第２のヨーク３０ｂとアーマチュア１３間のギャップ長をｇ３とし、永久磁石１４とアーマチュア１３間のギャップ長をｇ４とすると、ｇ３＜ｇ４としている。
【００２２】
また、鍔部１３ａと第３のヨーク３０ｃ間のギャップ長をｇ５とすると、ｇ３＜ｇ５としている。また、第４のヨーク３０ｄと鍔部１３ａ間の開路時のギャップ長をｇ２とすると、ｇ３＜ｇ２としている。このギャップ長ｇ２は、アーマチュア１３と第１のヨーク３０ａ間の開路時のギャップ長ｇ１と同様（ｇ１＝ｇ２）である。更に、永久磁石１４と第３のヨーク３０ｃ間のギャップ長をｇ６とすると、ｇ４＜ｇ６としている。
【００２３】
次に、閉路状態にする場合に形成される磁気回路を図２および図３を参照して説明する。
【００２４】
閉路コイル１５を励磁すると、図２に実線で示すように、閉路コイル１５と開路コイル１６とを囲むような三つの磁気回路が形成される。第１のヨーク３０ａ→第２のヨーク３０ｂ→アーマチュア１３を通る第１の磁気回路ｍ１と、第１のヨーク３０ａ→第２のヨーク３０ｂ→永久磁石１４→第４のヨーク３０ｄ→鍔部１３ａ→アーマチュア１３を通る第２の磁気回路ｍ２と、第１のヨーク３０ａ→第２のヨーク３０ｂ→第３のヨーク３０ｃ→鍔部１３ａ→アーマチュア１３を通る第３の磁気回路ｍ３とが形成される。
【００２５】
永久磁石１４側においても、図３に点線で示すように、三つの磁気回路が形成される。永久磁石１４→第４のヨーク３０ｄ→鍔部１３ａ→アーマチュア１３→第２のヨーク３０ｂを通る第４の磁気開路ｍ４と、永久磁石１４→第４のヨーク３０ｄ→鍔部１３ａ→アーマチュア１３→第１のヨーク３０ａ→第２のヨーク３０ｂを通る第５の磁気回路と、永久磁石１４→第４のヨーク３０ｄ→鍔部１３ａ→第３のヨーク３０ｃ→第２のヨーク３０ｂを通る第６の磁気回路ｍ６とが形成される。
【００２６】
このような磁気回路ｍ１、ｍ２、ｍ３、ｍ４、ｍ５、ｍ６において、閉路コイル１５側では、磁気回路ｍ１によって強い磁力が発生し、アーマチュア１３を図示上方に移動させることができる。これは、磁気回路ｍ２では、ギャップ長ｇ２が加わって磁気抵抗が大きくなり、また、磁気回路ｍ３では、第３のヨーク３０ｃ内で、永久磁石１４で形成される磁気回路ｍ６と磁束の向きが逆方向となり、強い磁力を発生させることができないためである。
【００２７】
永久磁石１４側では、磁気回路ｍ４によって強い磁力が発生し、磁気回路ｍ１と同様にアーマチュア１３を図示上方に移動させることができる。これは、磁気回路ｍ５では、ギャップ長ｇ１が加わって磁気抵抗が大きくなり、また、磁気回路ｍ６では、ギャップ長ｇ３＜ｇ５としているので、磁気抵抗が大きくなり、強い磁力を発生させることができないためである。
【００２８】
ここで、第２のヨーク３０ｂ内において、第１の磁気回路ｍ１と第４の磁気回路ｍ４との磁束が通るが、第１のヨーク３０ａの断面積ｓ１よりも第２のヨーク３０ｂの断面積ｓ２を大きくしているので、第２のヨーク３０ｂ内では磁気飽和をし難くなる。断面積ｓ１＝１とすると、断面積ｓ２＝１．２〜１．５としている。ｓ２＝１．２以下では、永久磁石１４の磁力を最大で利用するとき磁気飽和する可能性があり、また、ｓ２＝１．５以上では、磁気飽和を防ぐことができるものの第２のヨーク３０ｂが大型化して好ましくない。これらのことより、閉路時において、磁気抵抗の小さい第１の磁気回路ｍ１と第４の磁気回路ｍ４とが形成されるので、閉路コイル１５と永久磁石１４とによる磁力を充分に発生させることができる。
【００２９】
次に、アーマチュア１３移動時の永久磁石１４によって形成される磁気回路の詳細を図４を参照して説明する。図４の図示左に移動直前の状態、図示右に移動時の状態を示す。
【００３０】
移動直前では、前述の如く磁気回路ｍ４が形成され、更に、永久磁石１４→第４のヨーク３０ｄ→アーマチュア１３→第２のヨーク３０ｂを通る第７の磁気回路ｍ７と、永久磁石１４→第４のヨーク３０ｄ→第３のヨーク３０ｃ→第２のヨーク３０ｂを通る第８の磁気回路ｍ８とが形成される。
【００３１】
しかしながら、磁気回路ｍ４ではギャップ長ｇ２が加わって磁気抵抗が大きいので、移動直前では、磁気回路ｍ７、ｍ８による磁力が大きくなる。このため、アーマチュア１３に働く磁力は、軸方向と直交する水平力ｆｈが、軸方向と平行する垂直力ｆｖよりも大きくなる。なお、ギャップ長ｇ４＜ｇ６としているので、磁気回路ｍ７による水平力ｆｈが磁気回路ｍ８のものよりも大きい。
【００３２】
そして、アーマチュア１３が移動すると、ギャップ長ｇ２が短くなり、磁気回路ｍ４の磁気抵抗が下がり、垂直力ｆｖが水平力ｆｈよりも大きくなる。ギャップ長ｇ２が短くなればなるほど、垂直力ｆｖは大きくなる。
【００３３】
これらの磁気回路ｍ４、ｍ７、ｍ８による磁力は、図５の負荷特性で示すように、開路位置から閉路位置に近づくほど、加速度的に大きくなる。一方、開閉器の要求特性としては、点線で示すように、開路位置から接点３、４の接触時までが緩やかに上昇し、接触直後に急激に上昇して接触荷重を加え、その後、緩やかに上昇してワイプバネ８を圧縮する磁力が必要である。このような要求特性に対して、磁気回路ｍ４、ｍ７、ｍ８による負荷特性は、開路位置から閉路位置までを満足するものである。
【００３４】
これらのことから、アーマチュア１３を移動させる磁力を、閉路コイル１５を囲むような磁気抵抗の小さい第１の磁気回路ｍ１および永久磁石１４を通る磁気抵抗の小さい第４の磁気回路ｍ４で充分に発生させることができ、電磁アクチュエータ１１の効率を向上させることができる。そして、この電磁アクチュエータ１１を用いた開閉器は、確実な投入操作をすることができる。
【００３５】
上記実施例１の電磁アクチュエータ１１によれば、第１のヨーク３０ａに閉路コイルを配置し、第３のヨーク３０ｃに永久磁石１４を配置して、閉路コイル１５を励磁したときに、磁気抵抗の小さい閉路コイル１５を囲むような第１の磁気回路ｍ１と、永久磁石１４を通る第４の磁気回路ｍ４とが形成されるようにしているので、それぞれの磁気回路ｍ１、ｍ４で磁気飽和し難く充分な磁力を発生させることができ、閉路時の効率を向上させることができる。
【実施例２】
【００３６】
次に、本発明の実施例２に係る電磁アクチュエータを図６を参照して説明する。図６は、本発明の実施例２に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図である。なお、この実施例２が実施例１と異なる点は、第３のヨークの開口部に第５のヨークを設けたことである。図６において、実施例１と同様の構成部分においては、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３７】
図６に示すように、第３のヨーク３０ｃの開口部に第５のヨーク３０ｅを設け、アーマチュア１３を第１、第２、第３、第５のヨーク３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｅで囲むようにしている。このため、永久磁石１４による磁気回路は、永久磁石１４→第４のヨーク３０ｄ→鍔部１３ａ→第５のヨーク３０ｅ→第３のヨーク３０ｃ→第２のヨーク３０ｂを通る磁気回路ｍ９と、永久磁石１４→第４のヨーク３０ｄ→鍔部１３ａ→第５のヨーク３０ｅ→アーマチュア１３→第２のヨーク３０ｂを通る磁気回路ｍ１０とが形成される。
【００３８】
これにより、永久磁石１４による磁束が第５のヨーク３０ｅに形成され、アーマチュア１３を閉路方向に移動させるものと逆方向の働きをする。このため、アーマチュア１３の移動開始を抑えることになる。その結果、閉路コイル１５による磁束が充分に形成された後、アーマチュア１３が移動開始するので、強い磁力でアーマチュア１３を移動させることができ、閉路時の効率を向上させることができる。
【００３９】
上記実施例２の電磁アクチュエータ１１によれば、閉路時の効率をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図。
【図２】本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータ閉路時に閉路コイルで形成される磁気回路を説明する図。
【図３】本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータ閉路時に永久磁石で形成される磁気回路を説明する図。
【図４】本発明の実施例１に係るアーマチュア移動時に永久磁石で形成される磁気回路の詳細を説明する図。
【図５】本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータ閉路時の磁力を説明する図。
【図６】本発明の実施例２に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図。
【図７】開閉器の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１ａ  遮断部
１ｂ  ワイプバネ部
１ｃ  操作機構部
２  真空絶縁容器
３、４  接点
５  真空バルブ
６  上部固定部材
７  絶縁操作ロッド
８  ワイプバネ
９  ワイプバネフォルダ
１０  連結部材
１１  電磁アクチュエータ
１２、３０  ヨーク
１２ａ  突出部
１３  アーマチュア
１３ａ  鍔部
１４  永久磁石
１５  閉路コイル
１６  開路コイル
１７  操作ロッド
１８  ストッパープレート
１９  下部固定部材
２０  開路バネ
３０ａ  第１のヨーク
３０ｂ  第２のヨーク
３０ｃ  第３のヨーク
３０ｄ  第４のヨーク
３０ｅ  第５のヨーク
【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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【図６】
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【図７】
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