(57)【要約】【課題】  長ストロークの開閉器においても、電源の大型化を必要とすることなく、十分な駆動力を確保できる電磁アクチュエータを提供する。【解決手段】  磁性体からなる固定コア１と、固定コア１の内空間に往復運動可能な状態で配置された可動鉄心２と、可動鉄心２を駆動させるための駆動コイル３、４と、可動鉄心２を駆動させないときに固定コア１の端部に設けられた磁極１１、１２にて保持させるための永久磁石５とを備える電磁アクチュエータ１００において、駆動コイル３と磁極１１との間に補助磁極１１１、駆動コイル４と磁極１２との間に補助磁極１１２を設けるようにした。【選択図】  図１
2005347170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体からなる固定コアと、前記固定コアの内空間に往復運動可能な状態で配置された可動鉄心と、前記可動鉄心を駆動させるための駆動コイルと、前記可動鉄心を駆動させないときに前記固定コアの端部に設けられた磁極にて保持させるための永久磁石とを備える電磁アクチュエータにおいて、前記駆動コイルと前記磁極との間に補助磁極を設けたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
【請求項２】
前記補助磁極を前記可動鉄心の駆動方向に沿って複数配列するとともに、相隣する補助磁極の間に補助駆動コイルを配置し、前記駆動コイルおよび前記補助駆動コイルへの通電タイミングは、前記可動鉄心の駆動中の位置と方向とに基づいて制御されることを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。
【請求項３】
前記可動鉄心および前記固定コアが積層構造であることを特徴とした請求項１または２記載の電磁アクチュエータ。
【請求項４】
可動接点と固定接点とを有し、前記可動接点の駆動機構として請求項１〜３のいずれかに記載の電磁アクチュエータを用いたことを特徴とする開閉器。
【請求項５】
可動接点と固定接点とを有する開閉器と、前記開閉器を収容する筐体とを備える開閉装置において、前記開閉器は前記可動接点の駆動機構として請求項１〜３のいずれかに記載の電磁アクチュエータを用いたことを特徴とする開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、開閉装置の技術分野に属するものであり、遮断器や断路器といった開閉器の接点を駆動するための電磁アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
開閉装置に用いられる開閉器（遮断器、断路器）の接点の駆動機構として、電磁アクチュエータが知られている。比較的に定格電圧の低い（主として２４ｋＶ以下）真空遮断器では、接点ストロークが短く（例えば１０ｍｍ以下）、電磁アクチュエータが多く採用されている。このような従来の電磁アクチュエータでは、磁性体からなる固定コアの内空間に往復運動可能な状態で配置された矩形状の可動鉄心と、この可動鉄心を駆動させるための駆動コイルと、この可動鉄心を駆動させないときに固定コアの上端もしくは下端のいずれかの磁極にて保持させるための永久磁石とを備えている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６００９６１５号明細書（図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示された電磁アクチュエータに代表される一般的な電磁アクチュエータの駆動力Ｆは、
Ｆ＝μ×Ａ×（Ｎ×Ｉ）２／（２ｓ２）                （式１）
と表される。ここで、Ｎは駆動コイルの巻き数、Ｉは駆動コイルへ通電する励磁電流、μは真空透磁率、Ａは磁極の断面積である。式１より、可動鉄心と固定コアの端部磁極との空隙距離ｓ（電磁アクチュエータのストロークに等しい）が長くなると、駆動力Ｆが空隙距離ｓの２乗に反比例して低下することがわかる。ところで、ガス遮断器や気中遮断器、高電圧の真空遮断器（例えば３万Ｖ以上）など、世の中のほとんどの開閉器は、接点ストロークが２０ｍｍ以上と短くない。このような接点ストロークの長い開閉器に対して、従来の電磁アクチュエータを適用する場合は、駆動力Ｆが低下してしまう。
【０００５】
接点ストロークが長くなっても同等の駆動力Ｆを確保するためには、起磁力（Ｎ×Ｉ）を大きくする必要がある。ここで、巻数Ｎを増やすとコイル抵抗が上がるので、電圧を上げなければならない。一方で、電流Ｉを上げるにしても、結局は電源の容量（ワット数）を上げなければならない。いずれにしても、電源の大型化、高コスト化につながる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決するためになされたものであり、長ストロークの開閉器においても、電源の大型化を必要とすることなく、十分な駆動力を確保できる電磁アクチュエータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明における電磁アクチュエータは、磁性体からなる固定コアと、固定コアの内空間に往復運動可能な状態で配置された可動鉄心と、可動鉄心を駆動させるための駆動コイルと、可動鉄心を駆動させないときに固定コアの端部に設けられた磁極にて保持させるための永久磁石とを備える電磁アクチュエータにおいて、駆動コイルと磁極との間に補助磁極を設けたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、長ストロークの開閉器においても、電源の大型化を必要とすることなく、十分な駆動力を確保できる電磁アクチュエータを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を説明するための電磁アクチュエータの部分断面斜視図であり、図２は矢視Ａ−Ａ方向の断面図である。電磁アクチュエータ１００は、磁性体からなる固定コア１の内空間に往復運動可能な状態で配置された可動鉄心２を有する。固定コア１の内空間の中心部より図示上方および図示下方には、この内空間を取り巻くように２つの駆動コイル３、４がそれぞれ配置されている。可動鉄心２は、駆動コイル３、４への通電を適宜制御することによって、図示上下方向に駆動する。固定コア１の内空間の中央部を図示左右方向（可動鉄心２の駆動方向の垂直方向）に挟んで対向するように、２つの中央磁極１０が設けられている。２つの中央磁極１０に隣接してヨーク６が、中央磁極１０を挟んで対向するように２つ配置されており、それぞれのヨーク６の可動鉄心２に面する側には永久磁石５が設けられている。可動鉄心２を駆動させないときには、固定コア１の上端部に設けられた上側の磁極１１もしくは固定コア１の下端部に設けられた下側の磁極１２に、この可動鉄心２が保持される。図１を例にすると、永久磁石５、可動鉄心２、固定コア１およびヨーク６とで磁気回路（図１中に点線で示す）を構成することで、可動鉄心２が上側の磁極１１に吸着保持されている。駆動コイル３と上側の磁極１１との間には上側の補助磁極１１１が設けられ、駆動コイル４と下側の磁極１２との間には下側の補助磁極１１２が設けられている。
【００１０】
次に、動作について説明する。図３〜５は電磁アクチュエータ１００の部分断面拡大図であり、駆動コイル４に通電することによって、可動鉄心２が図示下方に移動する様子を示すものである。まず図３において、駆動コイル４に通電すると駆動コイル４の周囲に磁束が発生する。ここで、可動鉄心２と磁極１２との空隙距離ｓ、補助磁極１１２の高さをｈ、可動鉄心２のストロークラインと補助磁極１１２との距離ｄ、可動鉄心２と補助磁極１１２との空隙距離ｇとする。空隙距離ｇは、可動鉄心２の駆動に伴って変化するものとする。
【００１１】
電磁アクチュエータ１００のストロークを長くすれば、空隙距離ｓもそれに伴って長くなる。この場合、空隙距離ｓの経路を通る磁束ΦＢによる駆動力は式１に示されたようになり、空隙距離ｓが長くなるほど駆動力は低下する。
【００１２】
ところで、補助磁極１１２を配置したことで、空隙距離ｇの経路を通る磁束ΦＡも発生する。図３における磁束ΦＡによる駆動力は、図示下方への分力割合ｃｏｓθ＝（ｓ−ｈ）／ｇを用いて、
Ｆ＝μ×Ａ×（Ｎ×Ｉ）２／（２ｇ２）×ｃｏｓθ          （式２）
と表される。
【００１３】
図３では、空隙距離ｇが空隙距離ｓより十分に短いことから、磁束のほとんどが磁束ΦＡである。すなわち、電磁アクチュエータ１００の駆動力は、実質的に式２で表される。式２における駆動力Ｆが、式１における駆動力Ｆよりも十分に大きくなるように、補助磁極１１２を配置することによって、長ストロークであっても十分な初期駆動力を得ることができる。具体的には、式１と式２より、ｇ３＜ｓ３−ｓ２ｈとなるように、補助磁極１１２を形成すればよい。
【００１４】
磁束ΦＡによって、可動鉄心２が図示下方に移動すると、図４のように磁束ΦＡと磁束ΦＢの両方を構成する。この状態では、磁束ΦＡによる駆動力は分力割合ｃｏｓθ＝０のために寄与しなくなるものの、磁束ΦＢによる駆動力と可動鉄心２のもつ運動エネルギーによって、可動鉄心２はさらに下方へと移動する。
【００１５】
可動鉄心２の移動によって、空隙距離ｓが空隙距離ｇより十分に短くなると、磁束のほとんどが磁束ΦＢとなる。最終的には、図５のように可動鉄心２は磁極１２に達する。この状態で、駆動コイル４への通電を停止しても、永久磁石５の発生する磁束は、磁束ΦＢと同様に磁極１２を通る。すなわち、空隙距離ｇの経路を通ることはない。そのため、可動鉄心２を磁極１２に吸引保持する際の吸引保持力に影響を及ぼすことはない。また、同様にして可動鉄心２を上方に移動させることができる。
【００１６】
このように、この実施の形態における電磁アクチュエータ１００の構成によれば、長ストロークであっても、補助磁極１１１、１１２によって可動鉄心２との有効な空隙距離を短く確保でき、初期駆動力の低下を防止できる。そのため、電源の大型化を必要とすることなく、可動鉄心２を十分に駆動させることができ、さらに駆動停止状態における吸引保持力にも影響を及ぼすことがない。
【００１７】
なお、固定コア１と可動鉄心２とは、積層構造であることが好ましい。固定コア１を形成する磁性体、可動鉄心２を形成する鉄は、通常メッキ処理されている。固定コア１と可動鉄心２とを積層構造することによって、可動鉄心２への渦電流の発生を抑制できる。そのため、可動鉄心２への磁束遮蔽がなくなって、駆動制御性が向上する。
【００１８】
また、図６に示すように、補助磁極１１２を固定コア１の内空間から外れた位置に配置してもよい。ただし、補助磁極１１２の上端部は、内空間への投影位置において駆動コイル４と磁極１２との間にある。図示していない補助磁極１１１、駆動コイル３、磁極１１の位置関係も同様である。
【００１９】
さらに、本発明は、電磁アクチュエータ１００の構造について、発明の精神の範囲内において自由な変形が可能である。例えば、固定コア、可動鉄心、駆動コイルなどを円筒状ならびに円環状としても、同様の効果が得られる。また、図７に示すように駆動コイルを１つとして、反対方向の駆動力源としてばね８を用いる例もある。
【００２０】
実施の形態２．
図８は、実施の形態２を説明するための電磁アクチュエータの断面図である。この実施の形態は、実施の形態１において、補助磁極と上側もしくは下側の磁極との間に空間を設け、さらにこの空間にも駆動コイルを配置したものである。図において、中央磁極１０と上側の補助磁極１１１との間に駆動コイル３ａ、上側の補助磁極１１１と上側の磁極１１との間に駆動コイル３ｂ、中央磁極１０と下側の補助磁極１１２との間に駆動コイル４ａ、下側の補助磁極１１２と下側の磁極１２との間に駆動コイル４ｂが、配置されている。
【００２１】
次に動作について説明する。まず、駆動コイル４ａに通電すると、駆動コイル４ａの周囲に発生する磁束によって、可動鉄心２が下方に駆動する。このとき、駆動力は式２のようになり、補助磁極１１２によって十分な初期駆動力が得られる。続いて、可動鉄心２の下端が補助磁極１１２の上端と並んだら、駆動コイル４ｂに通電する。これは、駆動コイル４ａの周囲に発生する磁束では下方に寄与する駆動力を得られなった時点で、新たに駆動コイル４ｂの周囲に発生する磁束を必要とするためである。駆動コイル４ａと駆動コイル４ｂがつくる合成磁束によって、可動鉄心２には、下方への駆動力が継続して与えられる。このようにして、可動鉄心２は磁極１２に到達することができる。
【００２２】
なお、駆動コイル４ｂに通電した後、可動鉄心２の下端が補助磁極１１２の下端と並んだら、駆動コイル４ａへの通電を停止してもよい。これは、例えば駆動コイル４ａ、４ｂの電源が独立であれば、可動鉄心２が磁極１２にかなり接近した後は、駆動コイル４ａと駆動コイル４ｂによる合成磁束と、駆動コイル４ｂのみによる磁束とでは、得られる駆動力に差がないからである。また、一つの電源から駆動コイル４ａ、４ｂを並列に接続した場合、駆動コイル４ａへの通電を停止した分が駆動コイル４ｂへの通電量の増加となるため、駆動コイル４ａと駆動コイル４ｂによる合成磁束よりも、駆動コイル４ｂのみによる磁束のほうが、得られる駆動力が大きくなるからである。
【００２３】
また、可動鉄心２が補助磁極１１２の脇を通過する際に、駆動コイル４ａと駆動コイル４ｂの合成磁束をつくることなく、電源からの電流を駆動コイル４ａから駆動コイル４ｂに切り換えてもよい。この場合、駆動コイルへの電流の制御が容易になる。ここで、補助磁極１１２の厚さは適宜設計できるが、可動鉄心２が補助磁極１１２の脇を通過するときに駆動コイル４ｂの磁束による図示下方向への駆動力を速やかに立ち上げる観点から、補助磁極１１２は薄いほうが好ましい。
【００２４】
実施の形態３．
図９は、実施の形態３を説明するための電磁アクチュエータの断面図である。この実施の形態は、実施の形態１において、補助磁極を可動鉄心の駆動方向に沿って複数配列するとともに、相隣する補助磁極の間に補助駆動コイルを配置したものである。図において、中央磁極１０と上側の磁極１１との間に４つの補助磁極１１１が、中央磁極１０と下側の磁極１２との間に４つの補助磁極１１２が、配列されている。中央磁極１０とその上側の隣の補助磁極１１１との間には、駆動コイル３が配置されている。また、相隣する補助磁極１１１同士の間には、補助駆動コイル３１、３２、３３が配置されている。同様に、中央磁極１０とその下側の隣の補助磁極１１２との間には、駆動コイル４が配置されている。また、相隣する補助磁極１１２同士の間には、補助駆動コイル４１、４２、４３が配置されている。
【００２５】
駆動コイル３、４および補助駆動コイル３１〜３３、４１〜４３への通電タイミングは、可動鉄心２の駆動中の位置と方向とに基づいて制御される。図１０は、可動鉄心２を下方に駆動するときの駆動コイル４および補助駆動コイル４１〜４３への通電タイムチャートである。
【００２６】
まず、駆動コイル４に通電すると、駆動コイル４の周囲に発生する磁束によって、可動鉄心２が下方に駆動し、補助磁極１１２によって十分な初期駆動力が得られる。続いて、補助駆動コイル４１、４２、４３に順次通電する。補助駆動コイル４１〜４３への通電タイミングは、可動鉄心２の下端が当該補助駆動コイル４１〜４３のすぐ上の補助磁極１１２の上端と並んだときが好ましい。順次通電される駆動コイル４、補助駆動コイル４１〜４３がつくる合成磁束によって、可動鉄心２には下方への駆動力が継続して与えられる。このようにして、可動鉄心２は磁極１２に到達することができる。
【００２７】
また、駆動コイル３、４および補助駆動コイル３１〜３３、４１〜４３への通電タイミングは、図１１のような変形例であってもよい。ここでは、可動鉄心２の下端が駆動コイル４あるいは補助駆動コイル４１〜４２のすぐ下の補助磁極１１２の下端と並んだら、当該駆動コイル４あるいは当該補助駆動コイル４１〜４２への通電を停止する。これにより、電力消費を抑制し、入力電力に対する駆動効率を損なうことがない。
【００２８】
また、可動鉄心２が補助磁極１１２の脇を通過する際に、駆動コイル４および補助駆動コイル４１〜４３の合成磁束をつくることなく、電源からの電流を駆動コイル４、補助駆動コイル４１〜４３に順次切り換えてもよい。この場合、駆動コイル４、補助駆動コイル４１〜４３への電流の制御が容易になる。
【００２９】
この実施の形態では、あらゆるストローク長において、電磁アクチュエータ１００の駆動効率を損なうことなく、補助磁極１１１、１１２と補助駆動コイル３１〜３３、４１〜４３の分割配置によって簡単に対応できる。さらに、可動鉄心２の表面に凹凸を設け、補助磁極としての機能をもたせてもよい。
【００３０】
実施の形態４．
図１２は、実施の形態４を説明するための開閉装置の構成図である。この実施の形態は、実施の形態１で説明した電磁アクチュエータを開閉装置に適用した例である。実施の形態２〜３の電磁アクチュエータにも適宜変更できることは言うまでもない。
【００３１】
図において、開閉装置４００は、開閉器としての断路器２００、開閉器としての真空遮断器３００、断路器２００と遮断器３００とを収容する筐体４０１とを備える。筐体４０１には、それぞれの開閉器の操作用ボタン４０２と、電流計または電圧計などのモニター４０３が設けられている。断路器２００は、可動接点２０２と２つの固定接点２０１とを有し、可動接点２０２の駆動機構として電磁アクチュエータ１００が用いられる。真空遮断器３００は、可動接点３０２と固定接点３０１とを有し、可動接点３０２の駆動機構として電磁アクチュエータ１００が用いられる。
【００３２】
この実施の形態では、開閉器の可動接点の駆動機構として電磁アクチュエータを用いることにより、従来のバネ機構と比較して部品がおよそ半減する。部品が減った分、故障発生確率が減り、信頼性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
この発明は、とくに長ストロークの電磁アクチュエータに適しているが、従来の短ストロークの電磁アクチュエータの駆動効率を向上させるためにも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施の形態１を説明するための電磁アクチュエータの部分断面斜視図である。
【図２】実施の形態１を説明するための電磁アクチュエータの断面図である。
【図３】実施の形態１を説明するための電磁アクチュエータの部分断面拡大図である。
【図４】実施の形態１を説明するための電磁アクチュエータの部分断面拡大図である。
【図５】実施の形態１を説明するための電磁アクチュエータの部分断面拡大図である。
【図６】実施の形態１を説明するための電磁アクチュエータの変形例を示す部分断面斜視図である。
【図７】実施の形態１を説明するための電磁アクチュエータの変形例を示す部分断面図である。
【図８】実施の形態２を説明するための電磁アクチュエータの断面図である。
【図９】実施の形態３を説明するための電磁アクチュエータの断面図である。
【図１０】実施の形態３を説明するための電磁アクチュエータの通電タイムチャートである。
【図１１】実施の形態３を説明するための電磁アクチュエータの通電タイムチャートの変形例である。
【図１２】実施の形態４を説明するための開閉装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  固定コア、１０  中央磁極、１１〜１２  磁極、１１１〜１１２  補助磁極、２  可動鉄心、３〜４  駆動コイル、３１〜３３、４１〜４３  補助駆動コイル、５  永久磁石、１００  電磁アクチュエータ、２００  断路器、３００  真空遮断器、４００  開閉装置。
【図１】
2005347170.tif 000003
【図２】
2005347170.tif 000004
【図３】
2005347170.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005347170.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005347170.tif 000011
【図１０】
2005347170.tif 000012
【図１１】
2005347170.tif 000013
【図１２】
2005347170.tif 000014