(57)【要約】【課題】開閉装置操作に最適かつ高トルクな揺動式多安定点アクチュエータを提供する。【解決手段】第１および第２の位置に回動し得、回動方向に垂直な第１および第２の可動子磁極面を有しコイルが巻かれた可動子鉄心と、それぞれ第１および第２の位置のとき第１および第２の可動子磁極面に当接する第１の固定子磁極面を有し、それぞれ第１および第２の固定子コイルが巻かれた第１および第２の固定子鉄心とを備えた電磁アクチュエータ。鉄心とコイルとの配置は、上下対称配置、第３の固定子、永久磁石などが提案済。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回動中心回りに互いに離間した第１の位置および第２の位置に移動し得、互いに背中合わせに配置されて移動方向に対してほぼ垂直な第１および第２の可動子磁極面を有する可動子鉄心と、
この可動子鉄心に巻回された可動子コイルと、
上記可動子鉄心が上記第１の位置にあるとき上記第１の可動子磁極面に当接する第１の固定子磁極面を有する第１の固定子鉄心と、
上記可動子鉄心が上記第２の位置にあるとき上記第２の可動子磁極面に当接する第２の固定子磁極面を有する第２の固定子鉄心と、
上記第１の固定子磁極面に関連して上記固定子鉄心に巻回された第１の固定子コイルと、
上記第２の固定子磁極面に関連して上記固定子鉄心に巻回された第２の固定子コイルとを備えた電磁アクチュエータ。
【請求項２】
上記可動子鉄心が、上記回動中心に関して上記第１および第２の可動子磁極面に対称位置に第３および第４の可動子磁極面を持ち、
上記第１の固定子鉄心が、上記第４の可動子磁極面に対向する第２の固定子磁極面を備え、
上記第２の固定子鉄心が、上記第３の可動子磁極面に対向する第１の固定子磁極面を備えた請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
【請求項３】
上記可動子鉄心が上記可動子鉄心の移動方向に対してほぼ平行な周方向磁極面を有し、
上記第１および第２の固定子鉄心の間に、上記可動子鉄心の上記周方向磁極面に平行な固定子周方向磁極面を持つ第３の固定子鉄心ならびにこの固定子鉄心に巻回された第３の固定子コイルを備えた請求項１あるいは２に記載の電磁アクチュエータ。
【請求項４】
上記可動子鉄心が上記可動子鉄心の移動方向に対してほぼ平行な周方向磁極面を有し、
上記第１および第２の固定子鉄心の間に上記可動子鉄心の上記周方向磁極面に平行な固定子周方向磁極面を持つ永久磁石を備えた請求項１あるいは２に記載の電磁アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１〜４に記載の電磁アクチュエータを用いた開閉機器。
【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およびこれを用いた開閉機器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で構成される電磁操作機構が適用される場合が多い。これは、真空遮断器の接点は、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、短ギャップで強い電磁吸引力を発生する直動型双安定電磁アクチュエータが適切なためであった。この直動形の電磁アクチュエータの構造や動作説明は、例えば特許文献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、開閉器、断路器では、ストロークが長く、かつ、接点が回転往復運動（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、開閉装置の一部では、「入り」、「切り」、「入り」の３点動作させる場合もある。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つの安定点間を往復回転移動することで、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】
例えば特許文献１には、揺動形双安定電磁アクチュエータが記載されている。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、このように揺動形双安定電磁アクチュエータを適用してもよいし、前述の直動双安定型の電磁アクチュエータにおいても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。
【０００５】
一方、特許文献２には、３つの安定点間を回転移動する電磁アクチュエータが開示されている。この電磁アクチュエータにおいては、２つの磁極を有する回動可能な回転子が、３つの磁極を有する固定子に対して空隙を介して配置され、固定子磁極を励磁するための巻き線が巻回されている。空隙には、固定子に固定された永久磁石よって、径方向放射線状に直流磁束が作用する。巻き線に通電すると、回転子は１２０°回転して第２の安定位置に変位し、通電後も永久磁石トルクにて保持される。他位置へも同様に、巻き線の通電方向を選択することで、動作させることができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９７９１２号公報
【特許文献２】特開昭６１−１６５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
大型の電力用開閉装置へ適用する場合、大きなトルクが要求される。鉄心間に作用する電磁（吸引）力Ｆは、Ｆ＝φ2／（２μＳ）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、磁束φのほとんどが径方向（放射方向）に流れる構成だと、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、本体が大型化してしまうという課題がある。
【０００８】
また、開閉装置の接点入り時の接触抵抗を低減させるために、接点間には接触荷重が作用され、代表的なものとして、フィンガーコンタクトやスライドコンタクトが用いられる。従って、接点を閉成する時、コンタクト接触後から挿入完了までの間に、特に大きな摺動負荷が発生する。つまり、閉成動作後半および、開放動作初期に大きな負荷トルクが発生することになる。また、操作機構への条件としては、動作速度が過剰とならないように、負荷カーブに適したトルクカーブが必要となる。
【０００９】
従ってこの発明の目的は、開閉機器の開閉に適したトルク特性を持ち、大きなトルクを発生できる電磁アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る電磁アクチュエータは、回動中心回りに互いに離間した第１の位置および第２の位置に移動し得、互いに背中合わせに配置されて移動方向に対してほぼ垂直な第１および第２の可動子磁極面を有する可動子鉄心と、この可動子鉄心に巻回された可動子コイルと、上記可動子鉄心が上記第１の位置にあるとき上記第１の可動子磁極面に当接する第１の固定子磁極面を有する第１の固定子鉄心と、上記可動子鉄心が上記第２の位置にあるとき上記第２の可動子磁極面に当接する第２の固定子磁極面を有する第２の固定子鉄心と、上記第１の固定子磁極面に関連して上記固定子鉄心に巻回された第１の固定子コイルと、上記第２の固定子磁極面に関連して上記固定子鉄心に巻回された第２の固定子コイルとを備えた電磁アクチュエータである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、電磁アクチュエータのトルク特性を開閉機器の開閉に適したものとすることができ、大きなトルクを発生できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は本発明の電磁アクチュエータを用いた開閉機器（開閉器あるいは開閉装置）を示す模式図である。開閉機器は、タンク１００の内部に第１および第２の固定接触子１０１、１０２と、可動接触子１０３とが配置され、可動接触子１０３が回転往復運動することで、電気回路を切り替えるものであり、可動接触子１０３は、可動ロッド１０４および運動変換機構１０５を介して、タンク１００の外に配置された操作機構である電磁アクチュエータ１に接続されている。
【００１３】
本発明の電磁アクチュエータは、一端で可動ロッド１０４に連結されていて、回動中心２回りに回動あるいは揺動できるように枢支され、互いに離間した第１の位置（図２）および第２の位置（図４）に移動し得る可動子鉄心３を備えている。図示の例では、可動子鉄心３はほぼＤ字型あるいは半円形の鉄心枠４の直線部分の中央部に設けられた軸受部５によって枢支されている。
【００１４】
可動子鉄心３の自由端には、互いに背中合わせに配置されて可動子鉄心３の移動方向に対してほぼ垂直（即ち径方向）に延びた第１の可動子磁極面６および第２の可動子磁極面７が設けられている。図示の例では、第１の可動子磁極面６および第２の可動子磁極面７は、それぞれ可動子鉄心３の自由端から移動方向（周方向）に互いに反対側に延びた第１の磁極８および第２の磁極９の先端に設けられている。
【００１５】
可動子鉄心３の自由端にはまた、可動子鉄心３の移動方向に対してほぼ平行（周方向）に延びた周方向磁極面１０も形成されていて、この周方向磁極面１０は、可動子鉄心３移動方向に直角方向（径方向）に延びた第３の磁極１１の先端に設けられている。
【００１６】
この可動子鉄心３には可動子コイル１２が巻回されていて、可動子鉄心３と可動子コイル１２とで電磁アクチュエータ１の可動子１４が構成されている。
【００１７】
電磁アクチュエータ１の鉄心枠４は、全体として可動子１４の移動範囲を囲むように配置されていて、Ｄ字型の直線部の両端部から内側に径方向に延びた第１の固定子鉄心１５と第２の固定子鉄心１６とを備えている。第１の固定子鉄心１５は、可動子鉄心３が図２に示す第１の位置にあるときに、可動子鉄心３の第１の可動子磁極面６に当接する第１の固定子磁極面１７を持っている。第２の固定子鉄心１６は、可動子鉄心３が図４に示す第２の位置にあるときに、可動子鉄心３の第２の可動子磁極面７に当接する第２の固定子磁極面１８を持っている。これら第１および第２の固定子磁極面１７および１８はいずれも可動子１４の移動方向に対して垂直すなわち径方向である。
【００１８】
第１の固定子鉄心１５には第１の固定子磁極面１７から周方向に磁束が出るようにこの磁極面に関連して第１の固定子コイル１９が巻回されている。また、第２の固定子鉄心１６には第２の固定子磁極面１８から周方向に磁束が出るようにこの磁極面に関連して第２の固定子コイル２０が巻回されている。
【００１９】
電磁アクチュエータ１は更に、第１および第２の固定子鉄心１５、１６の間の中間部分で、鉄心枠４の湾曲部分から内側に突出した第３の固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２１に巻回された第３の固定子コイル２２とを備えている。第３の固定子鉄心２１の先端には、可動子鉄心３の周方向磁極面１０に対して平行な固定子周方向磁極面２３が設けられている。
【００２０】
次に、動作について説明する。電磁アクチュエータ１の可動子１４が図２に示すように第１の位置にあるとき、ＤＣ電源あるいはコンデンサ放電などの適当な電源から図示してない制御回路を介して可動子コイル１２にコイル電流を供給すると、可動子コイル１２の巻き線方向によって、例えば、可動子先端の磁極がＮ極になる。第１の固定子コイル１９には、第１の固定子鉄心１５の先端がＮ極になるようにコイル電流を供給すると、可動子１４は反発力を受けて回動中心２を回動中心として図２の位置から図３の位置に向かって時計回りに駆動される。ここで、第３の固定子コイル２２には、第３の固定子鉄心２１がＳ極になるようにコイル電流を通電すれば、可動子１４は吸引され、十分な吸引電磁トルクが作用すれば、可動子１４は図３に示す位置（中立位置）にて停止する。動作完了後は、通電電流を遮断する。
【００２１】
次に、可動子１４を図３の位置からで図４に示す第２の位置へ駆動させる場合、制御回路を介して可動子コイル１２への通電方向を変えて可動子鉄心３の先端の磁極がＳ極になるようにし、第２の固定子鉄心１６がＳ極になるように第２の固定子コイル２０に通電する。すると可動子１４には第２の固定子鉄心１６による吸引電磁トルクが作用する。さらに、第３の固定子鉄心２１がＳ極になるように第３の固定子コイル２２に通電すれば、可動子１４には第３の固定子鉄心２１による反発力が作用する。これらの結果、可動子１４は図３の位置から図４の位置へと時計回りの向きに駆動される。図４に示す動作完了位置にくれば、通電電流を遮断する。
【００２２】
電磁アクチュエータ１は左右対称構造であるので、他の動作も制御回路の同様などうさにより実現でき、図２、図３、図４に示す３つの安定位置間を往復移動することができ、このトルク出力を可動接触子１０３に接続することにより、接点を３位置で入り、切り動作させることが可能である。
【００２３】
一般に、電磁力の大きさは、磁気回路中の空隙長に依存し、空隙長が長いと低下する。従って、電磁吸引力は、駆動初期の力が弱く、駆動後期の力が大きくなる。また、電磁反発力は、駆動初期の力が強く、駆動後期の力は低下する。
【００２４】
従って、本構成によれば、接触子１０３の「切り」動作初期は、電磁反発力を利用しているため、強い駆動トルクを利用することができ、また、接触子１０３の「入り」動作後期もまた、強い吸引電磁トルクを作用させることができる。このように、負荷トルクに応じて電磁トルクを調整することができるので、接触子１０３の移動速度を過大にならないようにできる。また、負荷に応じた最適な電磁トルクを利用しているので、電磁アクチュエータの小型化やコイル電流の消費エネルギーの省電力化を実現できる。
【００２５】
図示してない制御回路は、可動子コイル１２と第１、第２および第３の固定子コイル１９、２０および２２とに接続され、これらコイルの附勢および消勢を制御するものであり、上述のような制御により、可動子１４を第１の位置（図２）、第２の位置（図４）および第３の位置（図３）間で移動させるものである。制御回路による制御は様々に変更ができ、例えば図３の第３の位置を無効にして、可動子１４を図２の第１の位置と図４の第２の位置との間だけで駆動することもできる。また、必要があればコイルの結線を変えてコイルの巻線方向を制御することもできる。
【００２６】
実施の形態２．
図５および６は、実施の形態１の構造が上下対称になった構造を持つ電磁アクチュエータ３１を示す。この電磁アクチュエータ３１においては、可動子鉄心３２の両端が磁極になり、回動中心２は可動子３３の中心に位置していて、可動子３３の可動子鉄心３２が、回動中心２に関して、第１および第２の可動子磁極面６および７と第３の可動子磁極面である可動子周方向磁極面１０と対称位置に、第４および第５の可動子磁極面３４および３５と第６の可動子磁極面である可動子周方向磁極面３６とを持っている。
【００２７】
また、鉄心枠３７が円形であり、第１および第２の固定子鉄心３８および３９がＴ字型になっていて、円形の鉄心枠３７から径方向内側に延びたＴ字の縦棒部分と周方向に延びた横棒部分とを持ち、第１および第２の固定子コイル４０および４１がＴ字の縦棒に巻回されている。第１の固定子鉄心３８のＴ字の横棒部分の先端には、第３の固定子磁極面４２が設けられており、また、第２の固定子鉄心３９のＴ字型の横棒部分には、第４の固定子磁極面４３が設けられている。第３の固定子磁極面４２は、第１の固定子磁極面１７と周方向に背中合わせで可動子鉄心３２の第５の可動子磁極面３５に対面して当接できる磁極面であり、また、第４の固定子磁極面４３は、第２の固定子磁極面１８と周方向に背中合わせで第３の可動子磁極面３４に対面して当接できる磁極面である。
【００２８】
第３の固定子鉄心２１および第３の固定子コイル２２に対して回動中心２に関して対称に第４の固定子鉄心４４および第４の固定子コイル４５が設けられている。第４の固定子鉄心４４には可動子周方向磁極面３６に対向する固定子周方向磁極面４６が設けられている。
【００２９】
可動子コイル１２にコイル電流を供給すると、例えば、可動子３３の図で上端の磁極がＮ極、下端はＳ極になる。第１の固定子コイル４０には、磁極面１７がＮ極になるようにコイル電流を供給し、第２の固定子コイル４１には、磁極面３４がＳ極になるように通電すると、可動子３３は両端に互いに反対方向の反発力を受けるので、回動中心２を中心として時計回りに駆動される。ここで、第３の固定子コイル２２には固定子周方向磁極面２３がＳ極になるように、第４の固定子コイル４５には、固定子周方向磁極面４６がＮ極になるように、コイル電流を通電すれば、可動子３３は両端部で同時に吸引され、可動子３３は図６に示す位置（中立位置）にて停止する。動作完了後は、通電電流を遮断する。
【００３０】
図６の位置から他の位置への動作は先に図２から図４に関連して説明したものと同様であり、電磁石の作用が２重になっていることだけが相違しているのでここでは説明を省略する。
【００３１】
本構成によれば、２つの磁極で駆動させるため、より強い電磁トルクを発生できるだけでなく、対称性の良さから、例えば回動中心２に作用する偏心力（発生電磁力の反作用によるもの）を低減できるため、摩擦が低減されることで、動作性能がよくなるというメリットがある。
【００３２】
実施の形態３．
図７に示す電磁アクチュエータ４８は、図２乃至図４に示す実施の形態と比較して、第３の固定子鉄心２１および第３の固定子コイル２２を取り除いた２位置作動の電磁アクチュエータである。この電磁アクチュエータ４８においては、その他の構成は図２乃至図４に示すものと同じ構造であり、動作も同様である。
【００３３】
実施の形態４．
図８に示す電磁アクチュエータ５０は、図５および図６に示す実施の形態と比較して、第３の固定子鉄心２１および第３の固定子コイル２２と、第４の固定子鉄心４４および第４の固定子コイル４５とが取り除かれた２位置作動の電磁アクチュエータである。この電磁アクチュエータ５０においては、その他の構成は図５および６に示すものと同じ構造であり、動作も同様である。
【００３４】
実施の形態５．
図９に示す電磁アクチュエータ５４は、図５および図６の実施の形態と比較して、第３の固定子鉄心２１および第３の固定子コイル２２と、第４の固定子鉄心４４および第４の固定子コイル４５とが取り除かれ、代わりに、第１および第２の固定子鉄心３８および３９の間に可動子鉄心３２の先端部の移動方向に対してほぼ平行な周方向磁極面５５を有する永久磁石５６が設けられていることが相違している。その他の構成は同様であり、動作も同様である。
【００３５】
この電磁アクチュエータ５４によれば、中立位置において、永久磁石５６の保持トルクが発生するので、外部からの強い振動などでも、不慮の動作を防ぐことができる。また、通電コイルの数が減るので、電源容量を小さくすることができ、省電力化できるという利点がある。
【００３６】
実施の形態６．
図１０に示す電磁アクチュエータ５８は、図２乃至図４の電磁アクチュエータ１の第３の固定子鉄心２１および固定子コイル２２の代わりに、固定子周方向磁極面５９を有する永久磁石６０を備えたものであり、その他の構成は同様であり、動作もまた同様であって同用の効果が期待される。
【００３７】
以上の説明から明らかなとおり、この発明によれば、磁極面を対向配置しているため、電磁トルクを効率良く利用できるため、電磁アクチュエータを小型化でき、また、駆動電流を小さくし、省電力化できるメリットがある。また、コイルへの通電方向を変えることで、電磁反発力と電磁吸引力の両方を利用できるため、動作初期あるいは動作後期の電磁トルクのみを大きくすることができ、発生する電磁トルクを所望の負荷トルクに容易に調整することができるために、接点の速度不足や速度過剰を防ぎ、適切な速度を実現することができる。
【００３８】
また、複数ある可動子と固定子の磁極の数を同じにすることにより、複数点での安定点を実現することができる。
【００３９】
また、固定コイルの一部を永久磁石化することにより、無励磁状態での保持トルクを発生できると共に、駆動電流の省電力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の電磁アクチュエータを用いた開閉機器を示す模式図である。
【図２】図１に示される実施の形態１の電磁アクチュエータの第１の位置を示す概略断面図である。
【図３】図１の電磁アクチュエータの第３の位置を示す概略断面図である。
【図４】図１の電磁アクチュエータの第２の位置を示す概略断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２による電磁アクチュエータを第１の位置で示す概略断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２による電磁アクチュエータを第３の位置で示す概略断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３による電磁アクチュエータを第１の位置で示す概略断面図である。
【図８】本発明の実施の形態４による電磁アクチュエータを第１の位置で示す概略断面図である。
【図９】本発明の実施の形態５による電磁アクチュエータを第１の位置で示す概略断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態６による電磁アクチュエータを第１の位置で示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  電磁アクチュエータ、２  回動中心、３、３２  可動子鉄心、６、７  第１および第２の可動子磁極面、１０  周方向磁極面、１２  可動子コイル、１５、３８  第１の固定子鉄心、１６、３９  第２の固定子鉄心、１７  第１の固定子磁極面、１８  第２の固定子磁極面、１９、４０  第１の固定子コイル、２０、４１  第２の固定子コイル、２１  第３の固定子鉄心、２２  第３の固定子コイル、２３  固定子周方向磁極面、３４、３５  第３および第４の可動子磁極面、４２  第２の固定子磁極面、４３  第１の固定子磁極面、５９  固定子周方向磁極面、６０  永久磁石。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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