(57)【要約】【課題】大きな駆動トルクを発生させでき、小型化できる電磁アクチュエータを得る。【解決手段】内側に複数の磁極を有する固定鉄心１４と、固定鉄心１４に支承される回転軸１６と、固定鉄心１４の内側に配置され、リング状部材１２と連結され、回転軸１６に支持されて回転軸１６を中心に回動し得る可動鉄心１８と、可動鉄心１８を駆動する磁束を発生させる少なくとも１つ以上の駆動コイル２０−２２とを備え、駆動コイル２０−２２は可動鉄心１８が駆動コイル２０−２２を貫通するように配置され、駆動コイル２０−２２を付勢することにより、可動鉄心１８を駆動コイル２０−２２の内側で回動させて変位させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に複数の磁極を有する固定鉄心と、前記固定鉄心に支承される回転軸と、
前記固定鉄心の内側に配置され、リング状部材と連結され、前記回転軸に支持されて前記回転軸を中心に回動し得る可動鉄心と、
前記可動鉄心を駆動する磁束を発生させる少なくとも１つ以上の駆動コイルとを備え、
前記駆動コイルは前記可動鉄心の位置で円周の略接線方向の向きを有する磁束を発生させるように前記固定鉄心に配置され、
前記駆動コイルを付勢することにより、前記可動鉄心を前記駆動コイルの内側で回動させて変位させることを特徴とする電磁アクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動コイルは前記可動鉄心が前記駆動コイルを貫通するように配置され、
前記駆動コイルを付勢することにより、前記可動鉄心を前記駆動コイルの内側で回動させて変位させ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】
前記固定鉄心の内側に配置され、前記リング状部材と連結される前記可動鉄心は、前記固定鉄心の一部を切り欠いた切欠き部で前記固定鉄心に至るアームを介して前記回転軸に支持されるように構成した請求項１又は請求項２記載の電磁アクチュエータ。
【請求項４】
前記固定鉄心の切欠き部の円周方向の角度幅は、前記可動鉄心の円周方向の回動角度幅以上である請求項３記載の電磁アクチュエータ。
【請求項５】
前記駆動コイルの巻回面が前記回転軸を含むように前記駆動コイルを配置し、前記駆動コイルの作る磁束が、前記可動鉄心の位置では円周の略接線方向であるように構成した請求項２記載の電磁アクチュエータ。
【請求項６】
前記駆動コイルは、前記可動鉄心を挟んで半径方向に対向するコイルであり、前記可動鉄心の位置で円周の略接線方向の向きを有する磁束を発生させるように、互いに逆向きの磁束を発生させるものであり、
前記駆動コイルを付勢することにより、前記可動鉄心を前記駆動コイルの内側で回動させて変位させ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７】
前記固定鉄心の両端部及び中間部にそれぞれ前記駆動コイルを配置して、前記固定鉄心の内側に配置され回動する前記可動鉄心の変位に３つの安定点を有するように構成した請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
【請求項８】
前記可動鉄心はその円周方向断面績が中央部で大きく両先端部で小さいものであり、前記可動鉄心の中央部を前記回転軸より見込む角度が、前記固定鉄心の内側を回動する前記可動鉄心の一安定点のための前記固定鉄心の磁極を前記回転軸より見込む角度と略同一ないしは小さいように構成した請求項７記載の電磁アクチュエータ。
【請求項９】
前記固定鉄心の磁極の内側に永久磁石を配置して、前記駆動コイルの無通電時に、前記固定鉄心に対する前記可動鉄心の位置を保持するように構成した請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
【請求項１０】
前記可動鉄心に永久磁石を配置して、前記駆動コイルの無通電時に、前記固定鉄心に対する前記可動鉄心の位置を保持するように構成した請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
【請求項１１】
前記可動鉄心にバネ力を作用させ、前記固定鉄心に対する前記可動鉄心の回動を補助す
るように構成した請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータにより操作できるようにした開閉機器を搭載したことを特徴とする電力用開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電磁アクチュエータ及びこれを用いた電力用開閉装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
真空遮断器の操作機構では、電磁アクチュエータが適用される。これは、真空遮断器の接点が、他の遮断器と比較して開離距離が短く且つ直線的に動作するといった特徴があるためであり、短ギャップで強い電磁吸引力を発生する直動双安定形電磁アクチュエータが適しているためであった。この直動双安定形の電磁アクチュエータの構造や動作説明は、例えば図１５（特許文献１）に記載されている。
【０００３】
しかしながら、真空遮断器以外の遮断器や、他の開閉機器では、ストロークが長く、かつ、接点が往復回動運動（揺動運動）する場合が多い。また、「入り」、「切り」の２点動作だけでなく、開閉機器の一部では、「入り」、「切り」、「入り」の３点動作をさせる場合もある。これは、２つの固定接点Ａ，Ｂと、１つの可動接点Ｍから構成され、この可動接点が３点の間を往復回動運動することで、接点Ａ入り、切り、接点Ｂ入りの３状態を実現する接点となる。
【０００４】
例えば図１６（特許文献２）は、揺動双安定形電磁アクチュエータを示したものであり、特許文献１を回動タイプに変形した構造となっている。動作後半は磁束が略接線方向に流れるため高トルクが期待できるが、動作初期は径方向に流れてしまうためトルクが小さい。低圧ブレーカのように接点が揺動運動することで開閉するような場合、このように揺動双安定形電磁アクチュエータを適用してもよいし、前述の直動双安定形の電磁アクチュエータにおいても回動リンク機構を介せば往復揺動運動を取り出すことができる。しかし、３点動作することはできない。
【０００５】
一方、図１７（特許文献３）は、３つの安定点間を回動する電磁アクチュエータである。以下に、構成と動作原理を説明する。磁性体にて構成され２つの磁極（１ａ、１ｂ）を有する回転子１は、シャフト７にて回動可能な状態に支持され、磁性体で構成され３つの磁極（２ａ、２ｂ、２ｃ）を有する固定子２とは空隙３を介して配置される。固定子磁極２ａ、２ｂ、２ｃを励磁するための巻き線４ａ、４ｂ、４ｃが巻回される。固定子２に固定された永久磁石（図示せず）よって、空隙３には径方向放射線状に直流磁束が作用する。巻き線４ａ、４ｂ、４ｃに図示した向きに通電すると、回転子１は時計回りに回動して第２の安定位置（回転子１と磁極２ｃが向き合う位置）に変位し、通電終了後も永久磁石トルクにて保持される。他位置へも同様に、巻き線４ａ、４ｂ、４ｃの通電方向を選択することで、動作させることができる。しかし、図１７の従来例では、一般的なステッピング・モータと同様、径方向の磁束を制御することで回動させているため、高速駆動、高トルク出力は困難である。また、通常の変電所や受電室には、バッテリなどの直流電源しかないため、このようなモータを動作させるためには、パルス出力用の電源やコントローラを別途用意する必要があり、経済的ではない。
【０００６】
【特許文献１】国際公開第９５／０７５４２号パンフレット（図１）
【特許文献２】特開２００１−２９７９１２号公報（図１）
【特許文献３】特開昭６１−１６５０４号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えば、ガス絶縁開閉装置のような、高電圧・大型の電力用開閉装置へ適用する場合、高速・高トルクな運動が要求される。鉄心間に作用する電磁（吸引）力Ｆは、
Ｆ＝φ2／（２μＳ）・φ／|φ|
で表される。ここに、φは鉄心間に流れる磁束、μは真空の透磁率、Ｓは面積である。ただし、Ｆはベクトル量であり、ベクトルφと平行な向きである。つまり、特許文献３に示すように、磁束φのほとんどが径方向（放射方向）に流れる構成であると、電磁トルク（荷重は接線方向）の利用効率が悪いのは言うまでもなく、駆動に必要なトルクを発生するには、本体が大型化してしまう課題がある。
【０００８】
また、従来のモータでも複数のギヤ機構を介すれば、高いトルク出力を得ることは可能であるが、効率が悪化し、装置が複雑になるだけでなく、低速駆動となる課題があった。
また、従来の直動形アクチュエータを揺動形アクチュエータに変形した特許文献２に示す構成例だと、高トルク出力が得られる可能性があるが、ストロークが小さく、また、３点で動作させることはできない。
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、大きな駆動トルクを発生させることができ、操作装置自体を小型化できる電磁アクチュエータおよびこれを用いた開閉機器を搭載した電力用開閉装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係わる電磁アクチュエータは、内側に複数の磁極を有する固定鉄心と、前記固定鉄心に支承される回転軸と、前記固定鉄心の内側に配置され、リング状部材と連結され、前記回転軸に支持されて前記回転軸を中心に回動し得る可動鉄心と、前記可動鉄心を駆動する磁束を発生させる少なくとも１つ以上の駆動コイルとを備え、前記駆動コイルは前記可動鉄心の位置で円周の略接線方向の向きを有する磁束を発生させるように前記固定鉄心に配置され、前記駆動コイルを付勢することにより、前記可動鉄心を前記駆動コイルの内側で回動させて変位させるものである。
【００１０】
また、この発明に係わる電磁アクチュエータは、固定鉄心の内側に配置され、リング状部材と連結される可動鉄心が、前記固定鉄心の一部を切り欠いた切欠き部で前記固定鉄心に至るアームを介して回転軸に支持されるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の電磁アクチュエータによれば、駆動コイルは可動鉄心の位置で円周の略接線方向の向きを有する磁束を発生させるように固定鉄心に配置され、前記駆動コイルを付勢することにより、前記可動鉄心を前記駆動コイルの内側で回動させて変位させるので、大きな駆動トルクを発生させることができ、その結果、電磁アクチュエータ自体を小型化できる。
【００１２】
また、この発明の電磁アクチュエータによれば、固定鉄心の内側に配置され、リング状部材と連結される可動鉄心は、前記固定鉄心の一部を切り欠いた切欠き部で前記固定鉄心に至るアームを介して回転軸に支持されるようにしたので、前記可動鉄心の回動（ストローク）に対して駆動コイルと前記アームが衝突しないので、より長い回動（ストローク）を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電磁アクチュエータを示す模式図である。絶縁性ガスを満たしたタンク１００の内部に固定接触子１０１,１０２と、可動接触子１０３が
配置され、可動接触子１０３が往復回動運動することで、電気回路を切り替えるものであり、可動接触子１０３から、可動ロッド１０４を介して、タンク１００の外に配置される
電磁アクチュエータ１０と接続される。
【００１４】
図２及び図３は実施の形態１による電磁アクチュエータ１０の正面図および側面図である。電磁アクチュエータ１０は、両側に配置された固定ヨーク１３を有し主として鉄にて構成された固定鉄心（固定コア）１４と、固定鉄心１４の内側に配置され、リング状部材１２と連結され、回転軸１６を中心に回動運動可能な可動鉄心（可動子）１８と、リング状部材１２と連結された可動鉄心１８を回転軸１６に支持させるアーム１５と、可動鉄心１８を電磁力にて吸引動作させる駆動コイル２０,２１,２２とから構成される。回転軸１６は固定鉄心１４に支承されている。
【００１５】
可動鉄心１８は径方向に配置された駆動コイル２０,２１,２２を貫通し、駆動コイル２０,２１,２２の付勢方向により往復回動運動する。駆動コイルの一部ないしは全部の巻回面が、回転軸を含むようにすると、駆動コイル２０,２１,２２が付勢されたときの磁束経路は、可動鉄心１８の位置では可動鉄心１８の略接線方向（円周方向の接線方向）になり、より高い駆動トルクが得られる。固定ヨーク１３を有する固定鉄心１４には、アーム１５が総ストローク（可動鉄心１８の回動範囲）で移動可能なように、切欠き部１７を備えている。つまり、固定鉄心１４の内側に配置され、リング状部材１２と連結される可動鉄心１８は、固定鉄心１４の一部を切り欠いた切欠き部１７で固定鉄心１４の外側に至るアーム１５を介して回転軸１６に支持されるようにしている。固定鉄心１４の切欠き部１７の円周方向の角度幅θ１４は、可動鉄心１８の円周方向の回動角度幅以上である。なお、固定鉄心１４の内側に配置され、リング状部材１２と連結される可動鉄心１８は、固定鉄心１４の一部を切り欠いた切欠き部１７で固定鉄心１４の内側に至るアーム１５を介して回転軸１６に支持されるようにしてもよい。つまりアーム１５が固定鉄心１４の内側で回転軸１６に至り回転軸１６に支持されるようにしてもよい。
【００１６】
次に、実施の形態１による電磁アクチュエータ１０の断面図である図４〜図７を用いて動作を説明する。図４は、可動鉄心１８が中立位置（第１安定点）にある場合を示した断面図である。駆動コイル２０に通電すると、図４に矢印にて示すように、磁束は固定鉄心１４ないしは固定ヨークから可動鉄心１８を通り、可動鉄心１８は駆動コイル２０の方向に（反時計回りに）吸引駆動される。可動鉄心１８は、所定の角度ストローク動作後、可動鉄心１８の段差１８ｃが固定鉄心１４から張り出した磁極に当たって停止し、駆動コイル２０への通電を終了する。可動鉄心１８が回動動作すると、これと連結したリング材１２およびアーム１５が回動することにより、駆動される回転軸１６へトルクないしは回動運動が伝達される。動作完了後を図５に示す（第２安定点）。従って、回転軸１６と連結した可動接触子１０３（図１）は、回動運動して閉極し、固定接触子１０２と電気的に接続される。
【００１７】
逆に開極動作させる場合は、駆動コイル２１a、２１ｂに通電することで、図５に矢印
にて示したような磁束が発生し、可動鉄心１８は駆動コイル２１に向かって（時計回りに）吸引駆動される。可動鉄心が中立点を過ぎようとすると、逆方向に吸引電磁トルクが作用するので、最終的には、図４に示す中立位置で停止し、駆動コイル２１a、２１ｂの通
電を終了する。したがって、回転軸１６と連結した可動接触子１０３は、図１に示すように、固定接触子１０２と断路される。
【００１８】
図６は、中立位置にて停止することを説明する部分拡大断面図である。可動鉄心１８には段差１８ａ〜１８ｄが設けられ、固定鉄心１４に中立位置（第１安定点）のために磁極１４ａ〜１４ｄが設けられている。可動鉄心の円周方向断面績は中央部で大きく両先端部で小さくなっており、中央部と先端部間に段差１８ａ〜１８ｄが設けられている。ここで、可動鉄心の中央部を回転軸より見込む角度θ２は、回転軸１６から固定鉄心１４の磁極１４ａ〜１４ｄを見込む角度θ１と概ね等しいか、少し小さくなるように構成される。
【００１９】
例えば、可動鉄心１８が僅かに左にずれている場合、図６に矢印にて示すような磁束が発生する。左側の磁束はほぼ半径方向に向いているため、これによる電磁力はトルクに寄与しない。しかし、右側の磁束は、接線方向成分を有するため、これによる電磁吸引力はトルクに寄与し、可動鉄心１８を時計方向に移動させ、可動鉄心１８のずれが修正されて中立位置で停止する。中立位置は固定鉄心１４の磁極１４ａ〜１４ｄの円周方向の中心と可動鉄心８の中央部の円周方向の中心が一致する位置である。
【００２０】
つまり、可動鉄心１８には時計方向のトルクが発生することがわかる。さらに、中立位置からのずれ角が大きくなると、磁束の接線方向成分が大きくなるため。時計方向の電磁トルクは大きくなる。構造的対称性により、可動鉄心１８の位置が右へずれたときは、反時計方向の電磁トルクが発生する。また、可動鉄心１８が中立位置にあるときは、左右の磁束がほぼ径方向成分のみである（あるいは、その接線成分が打ち消しあっている）ため、トルクは発生しない。つまり、中立位置を中心として復元トルクが作用していることがわかる。
【００２１】
図４に示す中立位置で、駆動コイル２２に通電することにより、可動鉄心１８が吸引され、図７に示す位置（第３安定点）にくることは、構造上の対称性から明らかである。また、図７に示す状態から駆動コイル２１に通電することにより、可動鉄心１８を図４に示すような中立位置へ駆動させることも、前述と同様である。
【００２２】
従って、このように構成によれば、駆動コイル２０,２１,２２を回転軸１６から見て略半径方向に配置しているため、可動鉄心１８の位置で磁束が接線方向に発生することにより、可動鉄心１８に強い電磁力を発生させることができる。これは電源を小型化したり、電磁石自体を小型化できるメリットがある。また、リング材１２を介して回転軸１６と接続することにより、回動駆動トルクを外部に伝達することができ、電力用開閉器や電力用開閉装置を操作することができる。
【００２３】
ここでは、開極動作用コイル２１を２つの駆動コイル２１ａ，２１ｂにて構成したが、図８の実施の形態１による電磁アクチュエータ１０の断面図に示すように、１つの駆動コイル２１にて構成することも可能である。具体的な動作は、前述と同様につき省略する。また、固定ヨークがなくても、あるいは非磁性体であっても、同様の機能を発生させることができることは明らかである。実施の形態１では、３安定位置について示したが、固定鉄心１４形状を変更することで、容易に双安定型電磁アクチュエータとすることができる。
【００２４】
また、実施の形態１では、固定鉄心１４の内側に配置され、リング状部材１２と連結される可動鉄心１８は、固定鉄心１４の一部を切り欠いた切欠き部１７で固定鉄心１４の外側に至るアーム１５を介して回転軸１６に支持されるように構成した。可動鉄心と回転軸を直接接続すると、接続部とコイルとが回動時に衝突するので、長いストロークを確保するのが困難であるが、前述のように構成することにより、可動鉄心の回動（ストローク）に対して駆動コイルとアームが衝突しないので、より長い回動（ストローク）を確保できる。この電磁アクチュエータは開閉機器の接点の開閉を操作するために利用することができ、この開閉機器を搭載することで電力用開閉装置として利用することができる。このときの電力用開閉装置は実施の形態で述べた電磁アクチュエータの有する特徴、効果をそのまま具備することとなる。
【００２５】
実施の形態２．
図９は実施の形態２による電磁アクチュエータを示す断面図である。実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付してその説明を省略する。実施の形態２では、開極駆動
コイル２１ａ，２１ｂは接線方向（円周方向の接線方向）に配置される。駆動コイル２１ａと２１ｂを逆向きに励磁することで、両駆動コイルで発生する磁束の向きは互いに逆向きとなるため、図９に矢印にて示すように、接線方向の磁束が形成される。従って、実施の形態１と同様の効果が得られることがわかる。また、図１０に示すように、２組（２１ａ，２１ｂ），（２１ｃ，２１ｄ）に分割しても同様の効果が得られるのは明らかである。また、中立位置での停止性を考慮すれば、図１１に示すように、固定鉄心１４の磁極を可動鉄心１８の中央部を見込む角と略同一に構成してもよいことは明らかである。この電磁アクチュエータは開閉機器の接点の開閉を操作するために利用することができ、この開閉機器を搭載することで電力用開閉装置として利用することができる。このときの電力用開閉装置は実施の形態で述べた電磁アクチュエータの有する特徴、効果をそのまま具備することとなる。
【００２６】
実施の形態３．
実施の形態１ないしは実施の形態２においては、電流を通電しない場合の位置保持の機能を有していない。ラッチやバネなどの機構によって実現することは可能であるが、永久磁石を用いることでも可能である。たとえば、図１２は、固定鉄心１４の磁極に永久磁石２３を取り付けた例を示す。図１２に示すように、各永久磁石２３は径方向に着磁されているので、ストローク端の位置では可動鉄心１８が固定鉄心１４と吸着するので、駆動コイル２１に通電しなくても吸着保持される。また、図１３に示すように、中立位置においても、永久磁石の着磁方向を逆転しておけば、保持トルクを得ることができる。
【００２７】
このようにすれば、外部からの機械的衝撃や振動を受けても、電磁アクチュエータ、または、この電磁アクチュエータにより操作できるようにした開閉機器を搭載した電力用開閉装置は同じ状態が保持される利点がある。
また、図１４に示すように、可動鉄心１８に永久磁石２３を取り付けても同じ効果があることはいうまでもない。また、電磁アクチュエータ１０出力とタンク１００の間、あるいは、電磁アクチュエータ１０の可動鉄心１８と固定鉄心１４の間、あるいは、アーム１５と固定鉄心１４の間にバネ（コイルバネやひねりバネ）を設けても良い。バネエネルギーにて可動接触子１０３の動作速度（開極速度ないしは閉極速度）を高めることができ、また、永久磁石の吸着保持力をバネ力以上に設計することで、静止状態保持が可能となる。この電磁アクチュエータは開閉機器の接点の開閉を操作するために利用することができ、この開閉機器を搭載することで電力用開閉装置として利用することができる。このときの電力用開閉装置は実施の形態で述べた電磁アクチュエータの有する特徴をそのまま具備することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施の形態１による電磁アクチュエータを示す模式図である。
【図２】実施の形態１による電磁アクチュエータを示す正面図である。
【図３】実施の形態１による電磁アクチュエータを示す側面図である。
【図４】実施の形態１による電磁アクチュエータを示す断面図である。
【図５】実施の形態１による電磁アクチュエータを示す断面図である。
【図６】実施の形態１による電磁アクチュエータにおける中立位置で停止することを説明する部分拡大断面図である。
【００２９】
【図７】実施の形態１による電磁アクチュエータを示す断面図である。
【図８】実施の形態１による電磁アクチュエータを示す断面図である。
【図９】実施の形態２による電磁アクチュエータを示す断面図である。
【図１０】実施の形態２による電磁アクチュエータを示す断面図である。
【図１１】実施の形態２による電磁アクチュエータを示す断面図である。
【図１２】実施の形態３による電磁アクチュエータを示す断面図である。
【００３０】
【図１３】実施の形態３による電磁アクチュエータを示す断面図である。
【図１４】実施の形態３による電磁アクチュエータを示す断面図である。
【図１５】従来の直動双安定形の電磁アクチュエータを示す斜視図である。
【図１６】従来の揺動双安定形の電磁アクチュエータを示す断面図である。
【図１７】従来の３安定点を有する電磁アクチュエータを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  電磁アクチュエータ                １２  リング状部材
１３  固定ヨーク                        １４  固定鉄心
１５  アーム                            １６  回転軸
１７  切欠き部                          １８  可動鉄心
２０  駆動コイル                        ２１  駆動コイル
２２  駆動コイル                        ２３  永久磁石
１００  タンク                          １０１  固定接触子
１０２  固定接触子                      １０３  可動接触子
１０４  可動ロッド
【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】
2009212372.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2009212372.tif 000013
【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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【図１７】
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